CPU上下文切換（上）

CPU上下文切換

​ 我們經常說的平均負載和cpu升高沒有直接的關系，在不同的場景cpu升高會導緻系統負載，但是系統負載不一定是cpu升高導緻的。

一、系統負載過高的三種場景

• cpu密集型程序，使用大量cpu會導緻平均負載升高，此時這兩者是一緻的。
• io密集型程序，等待io也會導緻平均負載升高，但cpu不一定很高。
• 大量等待cpu的程序排程也會導緻平均負載升高，此時cpu使用率也會比較高。

​ 大量程序競争cpu（也就是上面的第三個場景），往往是被忽略的，cpu雖然沒有使用，隻是在競争，也會發生負載嗎？

​ 我們都知道linux是一個多任務作業系統，它支援遠大于cpu數量的任務同時運作，當然這些任務不是同時運作，而是系統在很短時間内，将cpu輪流配置設定給它們，造成多任務同時運作的錯覺。而每個任務運作前，cpu需要知道任務從哪裡加載、又從哪裡開始運作，也就是說，需要系統事先幫它設定好cpu寄存器和程式計數器。

二、CPU寄存器和程式計數器

1. cpu寄存器：

​ cpu内置的容量小、但速度極快的記憶體。

2. 程式計數器：

​ 是用來存儲cpu正在執行的指令位置、或者即将執行的下一條指令位置。他們都是cpu在運作任何任務前，必須的依賴環境，是以也被叫做cpu上下文。

3. cpu上下文切換

​ cpu上下文切換：就是先前一個任務的cpu上下文(也就是CPU寄存器和程式計數器）儲存起來，然後加載新任務的上下文到這些寄存器和程式計數器，最後再跳轉到程式計數器所指的新位置，運作新任務。

​ 而這些儲存下來的上下文，會存儲在系統核心中，并在任務重新排程執行時再次加載進來。這樣就保證原來任務的狀态不受影響，讓任務看起來還是連續運作。

​ 根據任務不同，cpu的上下文切換就可以分為不同的幾個場景，程序上下文切換，線程上下文切換以及中斷上下文切換。

3.1. 程序上下文切換

​ linux安裝特權等級，把程序的運作空間分為核心空間和使用者空間

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• 核心空間（Ring0）具有最高權限，可以直接通路所有資源；
• 使用者空間（Ring3）隻能通路受限權限，不能直接通路記憶體等硬體裝置，必須通過系統調用陷入到核心中，才能通路特權資源。

​ 是以，程序既可以在使用者空間運作又可以在核心空間運作，在使用者空間運作時，稱為使用者态。在核心空間運作時，稱為核心态。

3.1.1. 系統調用是否發生cpu上下文切換

• 系統調用：cpu寄存器裡面原來的使用者态的指令位置，需要先儲存起來。接着，為了執行核心态代碼，cpu寄存器需要更新為核心态指令的新位置。最後，才跳轉到核心态運作核心任務。
• 系統調用結束後：cpu寄存器需要恢複原來儲存的使用者态，然後再切換到使用者空間，繼續運作程序。是以，一次系統調用，其實發送了兩次cpu上下文切換。
• 系統調用過程中，并不會涉及到虛拟記憶體等程序使用者态的資源，也不會切換程序。是以，系統調用通常稱為特權模式切換，但實際上，系統調用也無法避免cpu上下文切換。

3.1.2. 程序上下文切換跟系統調用差別

​ 程序是由核心來管理和排程的，程序的切換隻能發生在核心态，是以，程序的上下文不僅包括了使用者态的虛拟記憶體，使用者棧，全局變量等資源。還包括了核心棧、寄存器等核心空間的狀态。

​ 是以，程序的切換比系統調用多了一步：在儲存目前程序的核心狀态和cpu寄存器之前，需要先把使用者态的虛拟記憶體，使用者棧儲存下來；在加載了下一程序的核心态後，需要重新整理程序的虛拟核心和使用者棧。

​ 儲存上下文和恢複上下文的程序并不是免費的，需要記憶體在cpu上運作才能完成。

​ 每次上下文切換都需要幾十納秒到微妙的cpu時間。這個時間還是相當可觀。在程序上下文切換次數較多的情況下，很容易導緻cpu将大量時間耗費在寄存器、核心棧以及虛拟記憶體等資源的儲存和恢複上，進而大大縮短了真正運作程序的時間。這也是導緻平均負載升高的重要因素。

​ linux通過（tlb）來管理虛拟記憶體和實體記憶體直接的映射關系，當虛拟記憶體更新後，tlb也要更新，記憶體通路随之變慢。特别是在多處理器系統上，緩存被多個處理器共享，重新整理緩存不僅影響目前處理器的程序，還會影響共享緩存的其他處理器的程序。

3.1.3. 程序什麼時候切換

​ 程序執行完終止了，會釋放cpu，這個時候cpu從就緒隊列裡面拿一個新的程序運作，還有其他的一些非正常場景也會導緻程序切換。

• 時間片耗盡：為了保證是以程序可以得到公平排程，CPU時間被劃分成一段段的時間片，這些時間片輪流配置設定給各個程序。當某個時間片耗盡了，就會被系統挂起，切換到其他等待cpu的程序運作。
• 系統資源不足（如：記憶體不足）：這個時候程序會被挂起，并由系統排程其他程序運作。
• 程序主動挂起： 當程序通過睡眠函數sleep這樣的方式将自己主動挂起時。
• 高優先級程序：當有優先級高的程序出現時，為了保證優先級高的程序運作，目前程序會被系統挂起
• 硬體中斷時：當發生硬體中斷時，Cpu上的程序會被中斷挂起，轉而執行核心中的中斷服務程式。

  3.2. 線程上下文切換

  ​ 線程和程序最大的差別在于，線程是排程的基本機關，而程序則是資源擁有的基本機關。所謂核心中的任務排程，實際上的排程對象是線程；而程序隻是給線程提供了虛拟記憶體、全局變量等資源。是以，對于線程和程序可以了解為：
• 當程序隻有一個線程時，可以任務程序就是線程。
• 當程序擁有多個線程時，這些線程共享相同的虛拟記憶體、全局變量等資源。這些資源在上下文切換時是不需要修改的。
• 另外，線程也有自己的私有資料，如：棧和寄存器等，這些在上下文切換時也是需要儲存的。

​ 是以說：

​ 當兩個線程不屬于同一程序時，線程上下文切換時。因為資源不共享，是以切換就相當于時程序間切換。

​ 當兩個線程屬于同一程序時，線程上下文切換時。因為資源共享，隻需要切換線程私有資料。

​ 程序間切換消耗的資源多于線程間切換，是以就出現了多線程代替多程序的優勢。

3.3. 中斷上下文切換

​ 為了快速響應硬體的事件，中斷處理會打斷程序的正常排程和執行，轉而調用中斷處理程式，響應裝置事件。在打斷其他程序時，就需要将程序目前狀态儲存起來。

1. cpu上下文切換，時保持Linux系統正常運作的核心功能之一，一般情況不需要我們特别關注。
2. 過多的上下文切換，會把cpu時間消耗在寄存器、核心棧以及虛拟記憶體等資料的儲存和恢複上，進而縮短了程序真正運作的時間，導緻系統性能下降。