Linux 终于有人把CPU上下文切换说清楚了_上下文切换时会删除工作内存吗

前言

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多个进程竞争CPU就是一个经常被我们忽视的问题。

进程CPU的时候并没有真正运行，为什么还会导统的负载升高呢？你应该已经猜到了，CPU上下文切换就是罪魁祸首。

我们都知道，Linux是一个多任务操作系统，它支持远大于CPU数量的任务同时运行。当然， 这些任务实际上并不是真的在同时运行，而是因为系统在很短的时间内，将CPU轮流分配给它们，造成多任务同时运行的错觉。

而在每个任务运行前，CPU 都需要知道任务从哪里加载、又从哪里开始运行，也就是说，需要系统事先帮它设置好CPU 寄存器和程序计数器

 

指令寄存器和程序计数器

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电脑执行程序的过程就是cpu不断执行指令的过程。cpu执行指令的过程，第一步就是取指令，并将其放入指令寄存器，然后对指令译码，进行一些操作，最后计算下条指令的地址，并送入程序计数器。总之，一个用来存当前指令，一个用来存下条指令的地址。cpu根据程序计数器里的地址取指令，将取到的指令送指令寄存器。

CPU 寄存器和程序计数器就是 CPU 上下文，因为它们都是 CPU 在运行任何任务前，必须的依赖环境。

•  CPU 寄存器是 CPU 内置的容量小、但速度极快的内存
• 程序计数器则是用来存储 CPU 正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置

而在每个任务运行前，CPU 都需要知道任务从哪里加载、又从哪里开始运行，也就是说，需要系统事先帮它设置好 CPU 寄存器和程序计数器（Program Counter，PC）。

CPU 寄存器，是 CPU 内置的容量小、但速度极快的内存。而程序计数器，则是用来存储 CPU 正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置。它们都是 CPU 在运行任何任务前，必须的依赖环境，因此也被叫做 CPU 上下文。 

 

 

CPU上下文切换

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知道了什么是CPU上下文，我想你也很容易理解cpu上下文切换。CPU上下文切换，就是先把前一个任务的CPU上下文（也就是CPU寄存器和程序计数器）保存起来，然后加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器，最后再跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。

而这些保存下来的上下文，会存储在系统内核中，并在任务重新调度执行时再次加载进来。这样 就能保证任务原来的状态不受影响，让任务看起来还是连续运行。

 

 

CPU 上下文切换的类型

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我猜肯定会有人说，CPU上下文切换无非就是更新了 CPU寄存器的值嘛，但这些寄存器，本身就是为了快速运行任务而设计的，为什么会影响系统的CPU性能呢？

在回答这个问题前，不知道你有没有想过，操作系统管理的这些任务到底是什么呢？

也许你会说，任务就是进程，或者说任务就是线程。是的，进程和线程正是最常见的任务。但是除此之外，还有没有其他的任务呢？

不要忘了，硬件通过触发信号，会导致中断处理程序的调用，也是一种常见的任务。

所以，根据任务的不同，CPU的上下文切换就可以分为几个不同的场景，也就是进程上下文切换，线程上下文切换以及中断上下文切换。

 

进程上下文切换

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Linux中每个进程有两个栈，分别用于用户态和内核态的进程执行，内核栈就是用于内核态的堆栈。

运行在用户态的程序不能访问操作系统内核数据结构合程序。

内核态下，CPU可执行任何指令，在用户态下CPU只能执行非特权指令。当CPU处于内核态，可以随意进入用户态；而当CPU处于用户态，只能通过中断的方式进入内核态。一般程序一开始都是运行于用户态，当程序需要使用系统资源时，就必须通过调用软中断进入内核态。

Linux按照特权等级，把进程的运行空间分为内核空间和用户空间，分别对应着下图中，CPU 特权等级的Ring 0和Ring 3。

• 内核空间(Ring 0)具有最高权限，可以直接访问所有资源；
• 用户空间(Ring 3)只能访问受限资源，不能直接访问内存等硬件设备，必须通过系统调用陷入到内核中，才能访问这些特权资源。

换个角度看，也就是说，进程既可以在用户空间运行，又可以在内核空间中运行。进程在用户空间运行时，被称为进程的用户态，而陷入内核空间的时候，被称为进程的内核态。

从用户态到内核态的转变，需要通过系统调用来完成。比如，当我们查看文件内容时，就需要多次系统调用来完成：首先调用open()打开文件，然后调用read()读取文件内容，并调用 write()将内容写到标准输出，最后再调用close()关闭文件。

 那么，系统调用的过程有没有发生CPU上下文的切换呢？答案自然是肯定的。

CPU寄存器里原来用户态的指令位置，需要先保存起来。接着，为了执行内核态代码，CPU寄存器需要更新为内核态指令的新位置。最后才是跳转到内核态运行内核任务。

而系统调用结束后，CPU寄存器需要恢复原来保存的用户态，然后再切换到用户空间，继续运行进程。所以，一次系统调用的过程，其实是发生了两次CPU上下文切换。 

不过，需要注意的是，系统调用过程中，并不会涉及到虚拟内存等进程用户态的资源，也不会切 换进程。这跟我们通常所说的进程上下文切换是不一样的：

• 进程上下文切换，是指从一个进程切换到另一个进程运行。
• 而系统调用过程中一直是同一个进程在运行。

所以，系统调用过程通常称为特权模式切换，而不是上下文切换，但实际上，系统调用过程中， CPU 的上下文切换还是无法避免的。

那么，进程上下文切换跟系统调用又有什么区别呢？

首先，你需要知道，进程是由内核来管理和调度的，进程的切换只能发生在内核态。所以，进程的上下文不仅包括了虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源，还包括了内核堆栈、寄存器等内核空间的状态。

因此，进程的上下文切换就比系统调用时多了一步：在保存当前进程的内核状态和cpu寄存器之前，需要先把该进程的虚拟内存、栈等保存下来；而加载了下一进程的内核态后，还需要刷新进程的虚拟内存和用户栈。

如下图所示，保存上下文和恢复上下文的过程并不是“免费”的！需要内核在CPU上运行才能完成。

每次上下文切换都需要几十纳秒到数微秒的CPU时间。这个时间还是相当可观的，特别是在进程上下文切换次数较多的情况下，很容易导致CPU将大量时间耗费在寄存器、内核栈以及虚拟内存等资源的保存和恢复上，进而大大缩短了真正运行进程的时间。这也正是我们所讲的，导致平均负载升高的一个重要因素。 

另外，我们知道，Linux通过TLB (Translation Lookaside Buffer)来管理虚拟内存到物理内存的映射关系。当虚拟内存更新后，TLB也需要刷新，内存的访问也会随之变慢。特别是在多处理器系统上，缓存是被多个处理器共享的，刷新缓存不仅会影响当前处理器的进程，还会影响共享缓存的其他处理器的进程。

知道了进程上切换潜在的性能再来看，究竟什么时候会切换进程上下文

显然，进程切换时才需要切换上下文，换句话说，只有进程调度的时候，才需要切换下文。 Linux为每个CPU都维护了一个就绪队列，将活跃进程(即正在运行和正在等待CPU的进程) 按照优先级和等待CPU的时间排序，然后选择最需要CPU的进程，也就是优先级最高和等待CPU时间最长的进程来运行。

进程在什么时候才会被调度到CPU上运行呢？

最容易想到的一个时机，就是进程执行完终止了，它之前使用的CPU会释放出来，这个时候再从就绪队列里，拿一个新的进程过来运行。其实还有很多其他场景，也会触发进程调度，在这里逐个瞧梳理一下。

1. 其一，为了保证所有进程可以得到公平调度，CPU时间被划分为一段段的时间片，这些时间片再被轮流分配给各个进程。这样，当某个进程的时间片耗尽了，就会被系统挂起，切换到其它正在等待CPU的进程运行。
2. 其二，进程在系统资源不足（比如内存不足）时，要等到资源满足后才可以运行，这个时候进程也会被挂起，并由系统调度其他进程运行。
3. 其三，当进程通过睡眠函数Sleep这样的方法将自己主动挂起时，自然也会重新调度。
4. 其四，当有优先级更高的进程运行时，为了保证高优先级进程的运行，当前进程会被挂起，由高优先级进程来运行。
5. 最后，发生硬件中断时，CPU上的进程会被中断挂起，转而执行内核中的中断服务程序。

进程切换我想到了很多年前在银行柜台办理业务的情形。银行分配各个窗口给来办理业务的人

• 如果只有1个窗口开放（系统资源不足），大部分都得等
• 如果正在办理业务的突然说自己不办了（sleep）,那他就去旁边再想想（等）
• 如果突然来了个VIP客户，可以强行插队
• 如果突然断电了（中断），都得等。。 

了解这几个场景是非常有必要的，因为一旦出现上下文切换的性能问题，它们就是幕后凶手。

 

 

什么是中断上下文切换？(很重要，认真理解，比进程线程切换难理解)

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几乎所有的体系结构，都提供了中断机制。当硬件设备想和系统通信的时候，它首先发出一个异步的中断信号去打断处理器的执行，继而打断内核的执行。中断通常对应着一个中断号，内核通过这个中断号找到中断服务程序，调用这个程序响应和处理中断。当你敲击键盘时，键盘控 制器发送一个中断信号告知系统，键盘缓冲区有数据到来，内核收到这个中断号，调用相应的中断服务程序，该服务程序处理键盘数据然后通知键盘控制器可以继续输入数据了。为了保证同步，内核可以使用中止---既可以停止所有的中断也可以有选择地停止某个中断号对应的中断，许多操作系统的中断服务程序都不在进程上下文中执行，它们在一个与所有进程无关的、专门的中断上下文中执行。之所以存在这样一个专门的执行环境，为了保证中断服务程序能够在第一时间响应和处理中断请求，然后快速退出。

除了前面两种上下文切换，还有一个场景也会切换 CPU 上下文，那就是中断。

所谓中断就是指CPU在执行程序的过程中，出现了某些突发事件需要处理（事件、中断、异常），CPU必须暂停执行当前的程序，转而去处理突发事件，处理完毕后CPU有返回程序被中断的位置并继续支持程序的过程，就是中断。

为了快速响应硬件的事件，中断处理会打断进程的正常调度和执行，转而调用中断处理程序，响应设备事件。而在打断其他进程时，就需要将进程当前的状态保存下来，这样在中断结束后，进程仍然可以从原来的状态恢复运行。

跟进程上下文不同，中断上下文切换并不涉及到进程的用户态。所以即便中断过程打断了一个正处在用户态的进程，也不需要保存和恢复这个进程的虚拟内存、全局变量等用户态资源。中断上下文，其实只包括内核态中断服务程序执行所必需的状态，包括CPU寄存器、内核堆栈、硬件中断参数等。

对同一个CPU来说，中断处理比进程拥有更高的优先级，所以中断上下文切换并不会与进程上下文切换同时发生。由于中断程序会打断正常进程的调度和运行，大部分中断处理程序都短小精悍，以便尽可能快的执行结束。

另外，跟进程上下文切换一样，中断上下文切换也需要消耗CPU,切换次数过多也会耗费大量 的CPU,甚至严重降低系统的整体性能。所以，当你发现中断次数过多时，就需要注意去排查它是否会给你的系统带来严重的性能问题。

 

小结

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总结一下，不管是哪种场景导致的上下文切换，你都应该知道：

1. CPU上下文切换，是保证Linux系统正常工作的核心功能之一，正常情况下不需要我们特别关注。
2. 但过多的上下文切换，会把CPU时间消耗在寄存器、内核栈以及虚拟内存等数据的保存和恢复上，从而缩短进程真正运行的时间，导致系统的整体性能大幅下降。

上下文代表着内核活动的范围，每个处理器在任何指定时间点上的活动必然为以下三者之一：

• 运行于用户空间，执行用户进程；
• 运行于内核空间，处于进程上下文，代表某个特定的进程执行；
• 运行于内核空间，处于中断上下文，与任何进程无关，处理某个特定的中断；

以上包括所有情况，即使当CPU空闲时，内核就运行一个空进程，此时处于进程上下文，但运行于内核空间。