上一節(jié)，我給你講了要怎么理解平均負(fù)載（ Load Average），并用三個(gè)案例展示了不同場(chǎng)景下平均負(fù)載升高的分析方法。這其中，多個(gè)進(jìn)程競(jìng)爭(zhēng) CPU 就是一個(gè)經(jīng)常被我們忽視的問(wèn)題唁盏。
我想你一定很好奇，進(jìn)程在競(jìng)爭(zhēng) CPU 的時(shí)候并沒(méi)有真正運(yùn)行检眯，為什么還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的負(fù)載升高呢厘擂？看到今天的主題，你應(yīng)該已經(jīng)猜到了锰瘸，CPU 上下文切換就是罪魁禍?zhǔn)住?/p>
我們都知道刽严，Linux 是一個(gè)多任務(wù)操作系統(tǒng)，它支持遠(yuǎn)大于 CPU 數(shù)量的任務(wù)同時(shí)運(yùn)行获茬。當(dāng)然港庄，這些任務(wù)實(shí)際上并不是真的在同時(shí)運(yùn)行，而是因?yàn)橄到y(tǒng)在很短的時(shí)間內(nèi)恕曲，將 CPU 輪流分配給它們鹏氧，造成多任務(wù)同時(shí)運(yùn)行的錯(cuò)覺(jué)。
而在每個(gè)任務(wù)運(yùn)行前佩谣，CPU 都需要知道任務(wù)從哪里加載把还、又從哪里開(kāi)始運(yùn)行，也就是說(shuō)，需要系統(tǒng)事先幫它設(shè)置好 CPU 寄存器和程序計(jì)數(shù)器（Program Counter吊履，PC）安皱。
CPU 寄存器，是 CPU 內(nèi)置的容量小艇炎、但速度極快的內(nèi)存酌伊。而程序計(jì)數(shù)器，則是用來(lái)存儲(chǔ) CPU 正在執(zhí)行的指令位置缀踪、或者即將執(zhí)行的下一條指令位置居砖。它們都是 CPU 在運(yùn)行任何任務(wù)前，必須的依賴環(huán)境驴娃，因此也被叫做 CPU 上下文讥裤。
知道了什么是 CPU 上下文藻雌，我想你也很容易理解 CPU 上下文切換。CPU 上下文切換舷胜，就是先把前一個(gè)任務(wù)的 CPU 上下文（也就是 CPU 寄存器和程序計(jì)數(shù)器）保存起來(lái)摩泪，然后加載新任務(wù)的上下文到這些寄存器和程序計(jì)數(shù)器寞射，最后再跳轉(zhuǎn)到程序計(jì)數(shù)器所指的新位置厌蔽，運(yùn)行新任務(wù)密末。
而這些保存下來(lái)的上下文，會(huì)存儲(chǔ)在系統(tǒng)內(nèi)核中婆硬，并在任務(wù)重新調(diào)度執(zhí)行時(shí)再次加載進(jìn)來(lái)狠轻。這樣就能保證任務(wù)原來(lái)的狀態(tài)不受影響奸例，讓任務(wù)看起來(lái)還是連續(xù)運(yùn)行彬犯。
我猜肯定會(huì)有人說(shuō)，CPU 上下文切換無(wú)非就是更新了 CPU 寄存器的值嘛查吊，但這些寄存器谐区，本身就是為了快速運(yùn)行任務(wù)而設(shè)計(jì)的，為什么會(huì)影響系統(tǒng)的 CPU 性能呢逻卖？
在回答這個(gè)問(wèn)題前宋列，不知道你有沒(méi)有想過(guò)，操作系統(tǒng)管理的這些“任務(wù)”到底是什么呢评也？
也許你會(huì)說(shuō)炼杖，任務(wù)就是進(jìn)程，或者說(shuō)任務(wù)就是線程盗迟。是的坤邪，進(jìn)程和線程正是最常見(jiàn)的任務(wù)。但是除此之外罚缕，還有沒(méi)有其他的任務(wù)呢艇纺？
不要忘了，硬件通過(guò)觸發(fā)信號(hào)，會(huì)導(dǎo)致中斷處理程序的調(diào)用黔衡，也是一種常見(jiàn)的任務(wù)蚓聘。
所以，根據(jù)任務(wù)的不同盟劫，CPU 的上下文切換就可以分為幾個(gè)不同的場(chǎng)景夜牡，也就是進(jìn)程上下文切換、線程上下文切換以及中斷上下文切換侣签。
這節(jié)課我就帶你來(lái)看看氯材，怎么理解這幾個(gè)不同的上下文切換，以及它們?yōu)槭裁磿?huì)引發(fā) CPU 性能相關(guān)問(wèn)題硝岗。
進(jìn)程上下文切換
Linux 按照特權(quán)等級(jí)氢哮，把進(jìn)程的運(yùn)行空間分為內(nèi)核空間和用戶空間，分別對(duì)應(yīng)著下圖中型檀， CPU 特權(quán)等級(jí)的 Ring 0 和 Ring 3冗尤。
- 內(nèi)核空間（Ring 0）具有最高權(quán)限，可以直接訪問(wèn)所有資源胀溺；
- 用戶空間（Ring 3）只能訪問(wèn)受限資源裂七，不能直接訪問(wèn)內(nèi)存等硬件設(shè)備，必須通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用陷入到內(nèi)核中仓坞，才能訪問(wèn)這些特權(quán)資源背零。
換個(gè)角度看，也就是說(shuō)无埃，進(jìn)程既可以在用戶空間運(yùn)行徙瓶，又可以在內(nèi)核空間中運(yùn)行。進(jìn)程在用戶空間運(yùn)行時(shí)嫉称，被稱為進(jìn)程的用戶態(tài)侦镇，而陷入內(nèi)核空間的時(shí)候，被稱為進(jìn)程的內(nèi)核態(tài)织阅。
從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的轉(zhuǎn)變壳繁，需要通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用來(lái)完成。比如荔棉，當(dāng)我們查看文件內(nèi)容時(shí)闹炉，就需要多次系統(tǒng)調(diào)用來(lái)完成：首先調(diào)用 open() 打開(kāi)文件，然后調(diào)用 read() 讀取文件內(nèi)容润樱，并調(diào)用 write() 將內(nèi)容寫(xiě)到標(biāo)準(zhǔn)輸出渣触，最后再調(diào)用 close() 關(guān)閉文件。
那么祥国，系統(tǒng)調(diào)用的過(guò)程有沒(méi)有發(fā)生 CPU 上下文的切換呢昵观？答案自然是肯定的晾腔。
CPU 寄存器里原來(lái)用戶態(tài)的指令位置，需要先保存起來(lái)啊犬。接著灼擂，為了執(zhí)行內(nèi)核態(tài)代碼，CPU 寄存器需要更新為內(nèi)核態(tài)指令的新位置觉至。最后才是跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核態(tài)運(yùn)行內(nèi)核任務(wù)剔应。
而系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束后，CPU 寄存器需要恢復(fù)原來(lái)保存的用戶態(tài)语御，然后再切換到用戶空間峻贮，繼續(xù)運(yùn)行進(jìn)程。所以应闯，一次系統(tǒng)調(diào)用的過(guò)程纤控，其實(shí)是發(fā)生了兩次 CPU 上下文切換。
不過(guò)碉纺，需要注意的是船万，系統(tǒng)調(diào)用過(guò)程中，并不會(huì)涉及到虛擬內(nèi)存等進(jìn)程用戶態(tài)的資源骨田，也不會(huì)切換進(jìn)程耿导。這跟我們通常所說(shuō)的進(jìn)程上下文切換是不一樣的：
- 進(jìn)程上下文切換，是指從一個(gè)進(jìn)程切換到另一個(gè)進(jìn)程運(yùn)行态贤。而系統(tǒng)調(diào)用過(guò)程中一直是同一個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行舱呻。
- 而系統(tǒng)調(diào)用過(guò)程中一直是同一個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行。
所以悠汽，系統(tǒng)調(diào)用過(guò)程通常稱為特權(quán)模式切換箱吕，而不是上下文切換。但實(shí)際上介粘，系統(tǒng)調(diào)用過(guò)程中殖氏，CPU 的上下文切換還是無(wú)法避免的晚树。
那么姻采，進(jìn)程上下文切換跟系統(tǒng)調(diào)用又有什么區(qū)別呢？
首先爵憎，你需要知道慨亲，進(jìn)程是由內(nèi)核來(lái)管理和調(diào)度的，進(jìn)程的切換只能發(fā)生在內(nèi)核態(tài)宝鼓。所以刑棵，進(jìn)程的上下文不僅包括了虛擬內(nèi)存、棧愚铡、全局變量等用戶空間的資源蛉签，還包括了內(nèi)核堆棧胡陪、寄存器等內(nèi)核空間的狀態(tài)。
因此碍舍，進(jìn)程的上下文切換就比系統(tǒng)調(diào)用時(shí)多了一步：在保存當(dāng)前進(jìn)程的內(nèi)核狀態(tài)和 CPU 寄存器之前柠座，需要先把該進(jìn)程的虛擬內(nèi)存、棧等保存下來(lái)片橡；而加載了下一進(jìn)程的內(nèi)核態(tài)后妈经，還需要刷新進(jìn)程的虛擬內(nèi)存和用戶棧。
如下圖所示捧书，保存上下文和恢復(fù)上下文的過(guò)程并不是“免費(fèi)”的吹泡，需要內(nèi)核在 CPU 上運(yùn)行才能完成。
每次上下文切換都需要幾十納秒到數(shù)微秒的 CPU 時(shí)間经瓷。這個(gè)時(shí)間還是相當(dāng)可觀的爆哑，特別是在進(jìn)程上下文切換次數(shù)較多的情況下，很容易導(dǎo)致 CPU 將大量時(shí)間耗費(fèi)在寄存器舆吮、內(nèi)核棧以及虛擬內(nèi)存等資源的保存和恢復(fù)上泪漂，進(jìn)而大大縮短了真正運(yùn)行進(jìn)程的時(shí)間。這也正是上一節(jié)中我們所講的歪泳，導(dǎo)致平均負(fù)載升高的一個(gè)重要因素萝勤。
另外，我們知道呐伞， Linux 通過(guò) TLB（Translation Lookaside Buffer）來(lái)管理虛擬內(nèi)存到物理內(nèi)存的映射關(guān)系敌卓。當(dāng)虛擬內(nèi)存更新后，TLB (TLB是mmu里頁(yè)表的緩存伶氢，刷新是加快映射速度趟径。)也需要刷新，內(nèi)存的訪問(wèn)也會(huì)隨之變慢癣防。特別是在多處理器系統(tǒng)上蜗巧，緩存是被多個(gè)處理器共享的，刷新緩存不僅會(huì)影響當(dāng)前處理器的進(jìn)程蕾盯，還會(huì)影響共享緩存的其他處理器的進(jìn)程幕屹。
知道了進(jìn)程上下文切換潛在的性能問(wèn)題后，我們?cè)賮?lái)看级遭，究竟什么時(shí)候會(huì)切換進(jìn)程上下文望拖。
顯然，進(jìn)程切換時(shí)才需要切換上下文挫鸽，換句話說(shuō)说敏，只有在進(jìn)程調(diào)度的時(shí)候，才需要切換上下文丢郊。Linux 為每個(gè) CPU 都維護(hù)了一個(gè)就緒隊(duì)列盔沫，將活躍進(jìn)程（即正在運(yùn)行和正在等待 CPU 的進(jìn)程）按照優(yōu)先級(jí)和等待 CPU 的時(shí)間排序医咨，然后選擇最需要 CPU 的進(jìn)程，也就是優(yōu)先級(jí)最高和等待 CPU 時(shí)間最長(zhǎng)的進(jìn)程來(lái)運(yùn)行架诞。
那么腋逆，進(jìn)程在什么時(shí)候才會(huì)被調(diào)度到 CPU 上運(yùn)行呢？
最容易想到的一個(gè)時(shí)機(jī)侈贷，就是進(jìn)程執(zhí)行完終止了惩歉，它之前使用的 CPU 會(huì)釋放出來(lái)，這個(gè)時(shí)候再?gòu)木途w隊(duì)列里俏蛮，拿一個(gè)新的進(jìn)程過(guò)來(lái)運(yùn)行撑蚌。其實(shí)還有很多其他場(chǎng)景，也會(huì)觸發(fā)進(jìn)程調(diào)度搏屑，在這里我給你逐個(gè)梳理下争涌。
其一，為了保證所有進(jìn)程可以得到公平調(diào)度辣恋，CPU 時(shí)間被劃分為一段段的時(shí)間片亮垫，這些時(shí)間片再被輪流分配給各個(gè)進(jìn)程。這樣伟骨，當(dāng)某個(gè)進(jìn)程的時(shí)間片耗盡了饮潦，就會(huì)被系統(tǒng)掛起，切換到其它正在等待 CPU 的進(jìn)程運(yùn)行携狭。
其二继蜡，進(jìn)程在系統(tǒng)資源不足（比如內(nèi)存不足）時(shí)，要等到資源滿足后才可以運(yùn)行逛腿，這個(gè)時(shí)候進(jìn)程也會(huì)被掛起稀并，并由系統(tǒng)調(diào)度其他進(jìn)程運(yùn)行。
其三单默，當(dāng)進(jìn)程通過(guò)睡眠函數(shù) sleep 這樣的方法將自己主動(dòng)掛起時(shí)碘举，自然也會(huì)重新調(diào)度。
其四搁廓，當(dāng)有優(yōu)先級(jí)更高的進(jìn)程運(yùn)行時(shí)引颈，為了保證高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程的運(yùn)行，當(dāng)前進(jìn)程會(huì)被掛起枚抵，由高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程來(lái)運(yùn)行线欲。
最后一個(gè)，發(fā)生硬件中斷時(shí)汽摹，CPU 上的進(jìn)程會(huì)被中斷掛起，轉(zhuǎn)而執(zhí)行內(nèi)核中的中斷服務(wù)程序苦锨。
了解這幾個(gè)場(chǎng)景是非常有必要的逼泣，因?yàn)橐坏┏霈F(xiàn)上下文切換的性能問(wèn)題趴泌，它們就是幕后兇手。
線程上下文切換
說(shuō)完了進(jìn)程的上下文切換拉庶，我們?cè)賮?lái)看看線程相關(guān)的問(wèn)題嗜憔。
線程與進(jìn)程最大的區(qū)別在于，線程是調(diào)度的基本單位氏仗，而進(jìn)程則是資源擁有的基本單位吉捶。說(shuō)白了，所謂內(nèi)核中的任務(wù)調(diào)度皆尔，實(shí)際上的調(diào)度對(duì)象是線程呐舔；而進(jìn)程只是給線程提供了虛擬內(nèi)存、全局變量等資源慷蠕。所以珊拼，對(duì)于線程和進(jìn)程，我們可以這么理解：
- 當(dāng)進(jìn)程只有一個(gè)線程時(shí)流炕，可以認(rèn)為進(jìn)程就等于線程澎现。
- 當(dāng)進(jìn)程擁有多個(gè)線程時(shí)，這些線程會(huì)共享相同的虛擬內(nèi)存和全局變量等資源每辟。這些資源在上下文切換時(shí)是不需要修改的剑辫。
- 另外，線程也有自己的私有數(shù)據(jù)渠欺，比如棧和寄存器等揭斧，這些在上下文切換時(shí)也是需要保存的。
這么一來(lái)峻堰，線程的上下文切換其實(shí)就可以分為兩種情況：
- 第一種讹开， 前后兩個(gè)線程屬于不同進(jìn)程。此時(shí)捐名，因?yàn)橘Y源不共享旦万，所以切換過(guò)程就跟進(jìn)程上下文切換是一樣。
- 第二種镶蹋，前后兩個(gè)線程屬于同一個(gè)進(jìn)程成艘。此時(shí)，因?yàn)樘摂M內(nèi)存是共享的贺归，所以在切換時(shí)淆两，虛擬內(nèi)存這些資源就保持不動(dòng)，只需要切換線程的私有數(shù)據(jù)拂酣、寄存器等不共享的數(shù)據(jù)秋冰。
到這里你應(yīng)該也發(fā)現(xiàn)了，雖然同為上下文切換婶熬，但同進(jìn)程內(nèi)的線程切換剑勾，要比多進(jìn)程間的切換消耗更少的資源埃撵，而這，也正是多線程代替多進(jìn)程的一個(gè)優(yōu)勢(shì)虽另。
中斷上下文切換
除了前面兩種上下文切換暂刘，還有一個(gè)場(chǎng)景也會(huì)切換 CPU 上下文，那就是中斷捂刺。
為了快速響應(yīng)硬件的事件谣拣，中斷處理會(huì)打斷進(jìn)程的正常調(diào)度和執(zhí)行，轉(zhuǎn)而調(diào)用中斷處理程序族展，響應(yīng)設(shè)備事件森缠。而在打斷其他進(jìn)程時(shí)，就需要將進(jìn)程當(dāng)前的狀態(tài)保存下來(lái)苛谷，這樣在中斷結(jié)束后辅鲸，進(jìn)程仍然可以從原來(lái)的狀態(tài)恢復(fù)運(yùn)行。
跟進(jìn)程上下文不同腹殿，中斷上下文切換并不涉及到進(jìn)程的用戶態(tài)独悴。所以，即便中斷過(guò)程打斷了一個(gè)正處在用戶態(tài)的進(jìn)程锣尉，也不需要保存和恢復(fù)這個(gè)進(jìn)程的虛擬內(nèi)存刻炒、全局變量等用戶態(tài)資源。(不是不保存進(jìn)程上下文自沧，而是不需要刷新虛擬內(nèi)存這些用戶空間的數(shù)據(jù))中斷上下文坟奥，其實(shí)只包括內(nèi)核態(tài)中斷服務(wù)程序執(zhí)行所必需的狀態(tài)，包括 CPU 寄存器拇厢、內(nèi)核堆棧爱谁、硬件中斷參數(shù)等。
對(duì)同一個(gè) CPU 來(lái)說(shuō)孝偎，中斷處理比進(jìn)程擁有更高的優(yōu)先級(jí)访敌，所以中斷上下文切換并不會(huì)與進(jìn)程上下文切換同時(shí)發(fā)生。同樣道理衣盾，由于中斷會(huì)打斷正常進(jìn)程的調(diào)度和執(zhí)行寺旺，所以大部分中斷處理程序都短小精悍，以便盡可能快的執(zhí)行結(jié)束势决。
另外阻塑，跟進(jìn)程上下文切換一樣，中斷上下文切換也需要消耗 CPU果复，切換次數(shù)過(guò)多也會(huì)耗費(fèi)大量的 CPU陈莽，甚至嚴(yán)重降低系統(tǒng)的整體性能。所以，當(dāng)你發(fā)現(xiàn)中斷次數(shù)過(guò)多時(shí)传透，就需要注意去排查它是否會(huì)給你的系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重的性能問(wèn)題耘沼。
中斷上下文和進(jìn)程上下文區(qū)分极颓？
首先朱盐，這兩個(gè)上下文都處于內(nèi)核空間。
其次菠隆，兩者的區(qū)別在于兵琳，進(jìn)程上下文與當(dāng)前執(zhí)行進(jìn)程密切相關(guān)，而中斷上下文在邏輯上與進(jìn)程沒(méi)有關(guān)系骇径。
進(jìn)程上下文主要是異常處理程序和內(nèi)核線程躯肌。內(nèi)核之所以進(jìn)入進(jìn)程上下文是因?yàn)檫M(jìn)程自身的一些工作需要在內(nèi)核中做。例如破衔，系統(tǒng)調(diào)用是為當(dāng)前進(jìn)程服務(wù)的清女，異常通常是處理進(jìn)程導(dǎo)致的錯(cuò)誤狀態(tài)等。所以在進(jìn)程上下文中引用current是有意義的晰筛。
內(nèi)核進(jìn)入中斷上下文是因?yàn)橹袛嘈盘?hào)而導(dǎo)致的中斷處理或軟中斷嫡丙。而中斷信號(hào)的發(fā)生是隨機(jī)的，中斷處理程序及軟中斷并不能事先預(yù)測(cè)發(fā)生中斷時(shí)當(dāng)前運(yùn)行的是哪個(gè)進(jìn)程读第，所以在中斷上下文中引用current是可以的曙博，但沒(méi)有意義。事實(shí)上怜瞒，對(duì)于A進(jìn)程希望等待的中斷信號(hào)父泳，可能在B進(jìn)程執(zhí)行期間發(fā)生。例如吴汪，A進(jìn)程啟動(dòng)寫(xiě)磁盤(pán)操作惠窄，A進(jìn)程睡眠后現(xiàn)在時(shí)B進(jìn)程在運(yùn)行，當(dāng)磁盤(pán)寫(xiě)完后磁盤(pán)中斷信號(hào)打斷的是B進(jìn)程漾橙，在中斷處理時(shí)會(huì)喚醒A進(jìn)程杆融。
處理器總處于以下?tīng)顟B(tài)中的一種：
１、內(nèi)核態(tài)近刘，運(yùn)行于進(jìn)程上下文擒贸，內(nèi)核代表進(jìn)程運(yùn)行于內(nèi)核空間；
２觉渴、內(nèi)核態(tài)介劫，運(yùn)行于中斷上下文，內(nèi)核代表硬件運(yùn)行于內(nèi)核空間案淋；
３座韵、用戶態(tài)，運(yùn)行于用戶空間。
當(dāng)一個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行時(shí),CPU的所有寄存器中的值誉碴、進(jìn)程的狀態(tài)以及堆棧中的內(nèi)容被稱為該進(jìn)程的上下文宦棺。當(dāng)內(nèi)核需要切換到另一個(gè)進(jìn)程時(shí)，它需要保存當(dāng)前進(jìn)程的所有狀態(tài)黔帕，即保存當(dāng)前進(jìn)程的上下文代咸，以便在再次執(zhí)行該進(jìn)程時(shí)，能夠必得到切換時(shí)的狀態(tài)執(zhí)行下去成黄。在LINUX中呐芥，當(dāng)前進(jìn)程上下文均保存在進(jìn)程的任務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。在發(fā)生中斷時(shí),內(nèi)核就在被中斷進(jìn)程的上下文中奋岁，在內(nèi)核態(tài)下執(zhí)行中斷服務(wù)例程思瘟。但同時(shí)會(huì)保留所有需要用到的資源，以便中繼服務(wù)結(jié)束時(shí)能恢復(fù)被中斷進(jìn)程的執(zhí)行闻伶。
小結(jié)
總結(jié)一下滨攻，不管是哪種場(chǎng)景導(dǎo)致的上下文切換，你都應(yīng)該知道：
- CPU 上下文切換蓝翰，是保證 Linux 系統(tǒng)正常工作的核心功能之一光绕，一般情況下不需要我們特別關(guān)注。
- 但過(guò)多的上下文切換霎箍，會(huì)把 CPU 時(shí)間消耗在寄存器奇钞、內(nèi)核棧以及虛擬內(nèi)存等數(shù)據(jù)的保存和恢復(fù)上，從而縮短進(jìn)程真正運(yùn)行的時(shí)間漂坏，導(dǎo)致系統(tǒng)的整體性能大幅下降景埃。
FAQ
因?yàn)閮?nèi)核態(tài)是cpu的一種特權(quán)模式，在這種模式下顶别，內(nèi)核可以訪問(wèn)系統(tǒng)資源（包括內(nèi)存谷徙、cpu和其他IO設(shè)備），所以cpu上下文切換（包括進(jìn)程上下文切換驯绎、線程上下文切換和中斷切換）均是發(fā)生在內(nèi)核態(tài)完慧。
對(duì)于應(yīng)用程序，在最開(kāi)始都是運(yùn)行在用戶態(tài)剩失，當(dāng)程序中需要調(diào)用或者使用系統(tǒng)資源時(shí)（包括內(nèi)存屈尼、cpu和其他io設(shè)備），由于受到安全性限制拴孤，他們只能能通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用來(lái)運(yùn)行部分內(nèi)核的代碼實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)資源的調(diào)用使用脾歧，這個(gè)過(guò)程就是從用戶態(tài)陷入內(nèi)核態(tài)的過(guò)程，在系統(tǒng)調(diào)用過(guò)程中一直是在同一個(gè)進(jìn)程中實(shí)現(xiàn)演熟。
