Linux 性能诊断——CPU 上下文切换 Context Switches

前言

Linux 是一个多任务操作系统,当比较多数量的进程抢夺 CPU 时,上下文切换的损耗会显得比较大,本文讲述如何衡量 Linux 系统的上下文切换的性能指标,以及上下文切换的基础知识。

什么是 CPU 上下文切换

简单理解,CPU 上下文切换是更新了 CPU 寄存器的值,或者硬件触发信号,调用中断处理程序。

根据任务不同,有不同场景的上下文切换,有 特权模式切换进程上下文切换线程上下文切换中断上下文切换

特权模式切换(系统调用)

特权模式切换是指系统调用过程,在同一个进程中进行“用户态-内核态-用户态”的切换过程,一次系统调用,会发生两次 CPU 上下文切换。这过程中,先保存 CPU 寄存器里原来用户态的指令位置,接下来要执行内核态代码,CPU 寄存器更新为内核态指令的位置,最后跳转到内核态运行内核任务。

与进程上下文切换不同的是,系统调用过程中,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。

了解更多 Linux Protection Rings 特权保护级别,看下图

不同级别可以访问的资源级别不一样,如最里层的内核空间 Ring 0 可以直接访问所有资源,最外层的用户空间 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内核中,才能访问特权资源。

进程上下文切换

进程上下文切换,是指从一个进程切换到另一个进程。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。

进程的上下文有什么?

进程的上下文有虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源,还包括内核堆栈、寄存器等内核空间的状态。

于是,切换进程的过程比系统调用过程要多一步,在保存内核状态与 CPU 寄存器之前,需要把进程的虚拟内存、栈等保存下来;等加载下一个进程的内核态后,需要更新下一个进程的虚拟内存、栈等。

CPU 上下文切换耗时

引用测试报告 How long does it take to make a context switch?,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。

切换进程对内存访问性能的影响

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。

Linux 如何进行进程调度

  • 首先,为了公平调度,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。
  • 第二,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。
  • 第三,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。
  • 第四,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。
  • 最后,发生硬件中断时(比如网卡硬盘键盘等),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。

线程上下文切换

我们这里讨论同一个进程下多个线程的上下文切换。

线程是调度的基本单位,而进程则是资源拥有的基本单位。于是,内核中的任务调度,实际上的调度对象是线程;而进程只是给线程提供了虚拟内存、全局变量等资源。

由于同一个进程下,多个线程共享虚拟内存等资源,所以线程的上下文切换,只需切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据。

中断上下文切换

中断是什么?

中断其实是一种异步的事件处理机制,可以提高系统的并发处理能力。中断分为两种,硬中断与软中断。

硬中断:比如网卡接收数据后,需要通知 Linux 内核有新的数据到了,通过硬件中断的方式发送电信号给内核,内核此时调用中断处理程序来响应下。这一步需要快速响应,防止时间过长影响系统的并发处理能力。于是,内核把网卡的数据读到内存中,更新一下硬件寄存器的状态,表示数据已经读好了。再发送一个软中断信号给用户程序,结束中断处理程序。

软中断:用户程序需要上面网卡接收的数据,正处于 read 或者 epoll 的系统调用的 Sleep 状态中。系统如何通知用户程序收数据呢?每个 CPU 都对应一个软中断内核线程,名 ksoftirqd/$CPU_NUM,它被软中断信号唤醒,从内存中找到网络数据,按照网络协议栈,对数据进行逐层解析和处理,再发到用户程序上(唤醒用户程序)

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。

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。同样道理,由于中断会打断正常进程的调度和执行,所以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。

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。

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。

上下文切换频繁的性能问题

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,缩短进程真正运行的时间,成了系统性能大幅下降的一个元凶。

从性能角度看待上下文切换

  • 自愿上下文切换,是指进程无法获取所需资源,导致的上下文切换。比如说, I/O、内存等系统资源不足时,就会发生自愿上下文切换。
  • 非自愿上下文切换,则是指进程由于时间片已到等原因,被系统强制调度,进而发生的上下文切换。比如说,大量进程都在争抢 CPU 时,就容易发生非自愿上下文切换。

模拟场景与测量工具

使用 sysbench 命令行工具可以模拟系统多线程调度的瓶颈,它可以造成大量的线程线程,造成频率大的非自愿上下文切换

# 以 10 个线程运行 5 分钟的基准测试,模拟多线程切换的问题
sysbench --threads=10 --max-time=300 threads run

测量工具: vmstat, pidstat

  • 命令 vmstat 5, 每 5 秒输出 1 组数据,指标有:
    • cs(context switch)是每秒上下文切换的次数。
    • in(interrupt)则是每秒中断的次数。
    • r(Running or Runnable)是就绪队列的长度,也就是正在运行和等待 CPU 的进程数。
    • b(Blocked)则是处于不可中断睡眠状态的进程数。
  • 命令 pidstat -wt 1 每隔 1 秒输出 1 组数据,-w 表示输出进程切换指标,-u表示输出 CPU 使用指标,-wt表示输出线程的上下文切换指标

  • watch -d cat /proc/interrupts 查看 /proc 这个虚拟文件目录下,Linux 的中断使用情况,值得注意的指标有:
    • RES 重调度中断,这个中断类型表示,唤醒空闲状态的 CPU 来调度新的任务运行,也称为处理器间中断(Inter-Processor Interrupts,IPI)

Reference