如何进行 CPU 上下文的切换?
Linux开发架构之路 2024-06-07

1.性能统计信息

每一种系统级Linux性能工具都提供了不同的方式来提取相似的统计结果。虽然没有工具能显示全部的信息,但是有些工具显示的是相同的统计信息。

1.1.平均负载率

平均负载是指单位时间内,系统处于 可运行状态不可中断状态 的平均进程数,也就是平均活跃进程数,它和 CPU 使用率并没有直接关系。

可运行状态的进程

是指正在使用 CPU 或者正在等待 CPU 的进程,也就是我们常用 ps 命令看到的,处于 R 状态(Running 或 Runnable)的进程。

不可中断状态的进程

是正处于内核态关键流程中的进程,并且这些流程是不可打断的, 比如最常见的是等待硬件设备的 I/O 响应,也就是我们在 ps 命令中看到的 D 状态 (Uninterruptible Sleep,也为 Disk Sleep)的进程。

(比如,当一个进程向磁盘读写数据时,为了保证数据的一致性,在得到磁盘回复前,它是不能被其他进程或者中断打断的,这个时候的进程就处于不可中断状态。如果此时的进程被打断了,就容易出现磁盘数据与进程数据不一致的问题。所以,不可中断状态实际上是系统对进程和硬件设备的一种保护机制。)

uptime命令

uptime查看系统负载是执行uptime来了解系统的负载情况。

[root@centos7-1 ~]# uptime 16:01:25 up 15 min, 1 user, load average: 0.00, 0.02, 0.05 [root@centos7-1 ~]#
16:01:25 // 当前时间 up 15 min // 系统运行时间 1 user // 正在登录用户数 load average: 0.00, 0.02, 0.05 //三个数字呢,依次则是过去 1 分钟、5 分钟、15 分钟的平均负载
  • 如果 1 分钟、5 分钟、15 分钟的三个值基本相同,或者相差不大,那就说明系统负载很平稳。

  • 如果 1 分钟的值远小于 15 分钟的值,就说明系统最近 1 分钟的负载在减少,而过去 15 分钟内却有很大的负载。

  • 如果 1 分钟的值远大于 15 分钟的值,就说明最近 1 分钟的负载在增加,这种增加有可能只是临时性的,也有可能还会持续增加下去,所以就需要持续观察。一旦 1 分钟的平均负载接近或超过了 CPU 的个数,就意味着系统正在发生过载的问题,这时就 得分析调查是哪里导致的问题,并要想办法优化了。

平均负载为多少时合理

平均负载最理想的情况是等于 CPU 个数。所以在评判平均负载时,首先要知道系统有几个 CPU,这可以通过 top 命令或者从文件 /proc/cpuinfo 中读取:

# 关于 grep 和 wc 的用法请查询它们的手册或者网络搜索 [root@centos7-1 ~]# grep 'model name' /proc/cpuinfo | wc -l 1

当平均负载比 CPU 个数还大的时候,系统已经出现了过载。在观察负载数据时,有三个时间点的数据,因此都要看。三个不同时间间隔的平均值,其实给我们提供了,分析系统负载趋势的数据来源,让我们能更全面、更立体地理解目前的负载状况。

举个例子

假设我们在一个单 CPU 系统上看到平均负载为 1.88,0.70,6.76, 那么说明在过去 1 分钟内,系统有 188% 的超载,而在 15 分钟内,有 676% 的超载,从整体趋势来看,系统的负载在降低

当平均负载高于 CPU 数量 70% 的时候,你就应该分析排查负载高的问题了(70% 这个数字并不是绝对的,最推荐的方法)。

平均负载和cpu使用率关系

我们经常容易把平均负载和 CPU 使用率混淆,来区分一下。然平均负载代表的是活跃进程数,那平均负载高了,不就意味着 CPU 使用率高吗?

我们还是要回到平均负载的含义上来,平均负载是指单位时间内,处于可运行状态和不可中断状态的进程数。所以,平均负载不仅包括了正在使用 CPU 的进程,还包括等待 CPU 和等待 I/O 的进程

而CPU使用率,是单位时间内CPU繁忙情况的统计,跟平均负载并不一定完全对应。比如

  • CPU 密集型进程,使用大量 CPU 会导致平均负载升高,此时这两者是一致的;

  • I/O 密集型进程,等待 I/O 也会导致平均负载升高,但 CPU 使用率不一定很高;

  • 大量等待 CPU 的进程调度也会导致平均负载升高,此时的 CPU 使用率也会比较高。

1.2.上下文切换

如何理解上下文切换

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,这是通过频繁的上下文切换、将CPU轮流分配给不同任务从而实现的。

每个进程运行时,CPU都需要知道进程已经运行到了哪里以及当前的各种状态,因此系统事先设置好 CPU 寄存器和程序计数器。

CPU 上下文切换,就是先把前一个任务的 CPU 上下文(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 。

根据 Tsuna 的测试报告,每次上下文切换都需要几十纳秒到到微秒的CPU时间,因此如果进程上下文切换次数过多,就会导致 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,实际上有效的CPU运行时间大大减少(可以认为上下文切换对用户来说是在做无用功)。

上下文切换的时机

  • 根据调度策略,将CPU时间划片为对应的时间片,当时间片耗尽,就需要进行上下文切换

  • 进程在系统资源不足,会在获取到足够资源之前进程挂起

  • 进程通过sleep函数将自己挂起

  • 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,也就是被抢占

  • 当发生硬件中断时,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

上下文切换分类

  • 进程和线程是Linux最常见的任务

  • 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 的上下文切换可以分为不同的场景

  • 进程上下文切换

  • 线程上下文切换

  • 中断上下文切换

系统调用

Linux 按照特权等级划分进程的运行空间

  • 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

Linux运行空间


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。

系统调用举例:

当我们查看文件内容时, 需要多次系统调用来完成:

  1. 首先调用 open() 打开文件,

  2. 然后调用 read() 读取文件内容,

  3. 并调用 write() 将内容写到标准输出,

  4. 最后再调用 close() 关闭文件。

系统调用的过程如何进行 CPU 上下文的切换?

  1. CPU 寄存器里原来用户态的指令位置,需要先保存起来

  2. 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

  3. 最后才是跳转到内核态运行内核任务

  4. 系统调用结束后,CPU 寄存器需要恢复原来保存的用户态

  5. 然后再切换回用户空间,继续运行进程

系统调用和进程上下文切换的不同

  • 进程上下文切换:从一个进程切换到另一个进程运行

  • 系统调用:一直是同一个进程在运行

  • 系统调用过程通常称为特权模式切换,而不是上下文切换

  • 系统调用过程中, CPU 上下文切换是无法避免的

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进程上下文切换

在 Linux 中,进程是由内核来管理和调度进程的,切换只能发生在内核态,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 等内核空间的资源。

进程上下文切换:

  • 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【保存上下文】

  • 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【加载上下文】

什么时候会切换进程上下文

  • 顾名思义,只有在进程切换时才需要切换上下文

  • 换句话说,只有在进程调度时才需要切换上下文

CPU 如何挑选进程来运行?

  • Linux 为每个 CPU 都维护了一个等待队列

  • 将活跃进程(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

进程上下文切换如何影响系统性能

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。

线程上下文切换

线程是调度的基本单位,而进程则是资源拥有的基本单位。所谓内核中的任务调度,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。

线程的上下文切换其实就可以分为两种情况:

1). 前后两个线程属于不同进程。此时,因为资源不共享,所以切换过程就跟进程上 下文切换是一样。

2). 前后两个线程属于同一个进程。此时,因为虚拟内存是共享的,所以在切换时, 虚拟内存这些资源就保持不动,只需要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

硬件通过触发信号,向CPU发送中断信号,导致内核调用中断处理程序,进入内核空间。这个过程中,硬件的一些变量和参数也要传递给内核, 内核通过这些参数进行中断处理。中断处理会打断进程的正常调度和执行,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

例如,A进程启动写磁盘操作,A进程睡眠后B进程在运行,当磁盘写完后磁盘中断信号打断的是B进程,在中断处理时会唤醒A进程。

进程上下文 VS 中断上下文

  • 内核可以处于两种上下文:进程上下文和中断上下文。

  • 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,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

  • 中断上下文不会和进程上下文切换同时发生

  • 对同一个 CPU 来说,中断处理比进程拥有更高的优先级

  • 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

耗资源程度

  • 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

  • 当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

1.3.CPU使用率

CPU使用率

用什么指标来描述系统的 CPU 性能呢 ? 不是平均负载,也不是CPU上下文切换,而是另一个更直观的指标CPU使用率 ,CPU 使用率是单位时间内 CPU 使用情况的统计,以百分比的方式展示。

节拍率的概念

为了维护 CPU 时间,Linux 通过事先定义的节拍率(内核中表示为 HZ),触发时间中断,并使用全局变量 Jiw ies 记录了开机以来的节拍数。每发生一次时间中断,Jiw ies 的值就加 1。

1)查看系统节拍率

不同的系统可能设置不同数值,你可以通过查询 /boot/config 内核选项来查看它的配置值。

[root@centos7-2 ~]# grep 'CONFIG_HZ=' /boot/config-$(uname -r) CONFIG_HZ=1000

2)用户节拍率

正因为节拍率 HZ 是内核选项,所以用户空间程序并不能直接访问。为了方便用户空间程序,内核还提供了一个用户空间节拍率 USER_HZ,它总是固定为 100,也就是 1/100 秒。这样,用户空间程序并不需要关心内核中 HZ 被设置成了多少,因为它看到的总是固定值 USER_HZ。

USER_HZ=100

CPU使用率公式

CPU使用率,就是除了空闲时间外的其他时间占总CPU时间的百分比,用公式来表示就是

根据这个公式,我们就可以从 /proc/stat 中的数据,很容易地计算出 CPU 使用率。当然,也可以用每一个场景的 CPU 时间,除以总的 CPU 时间,计算出每个场景的 CPU 使用率。

性能工具是如何计算CPU使用率的

事实上,为了计算机CPU使用率,性能能工具一般都会间隔一段时间(比如 3 秒)的两次值,做差后,再计算出这段时间的平均CPU使用率

性能分析工具给出的都是间隔一段时间的平均CPU使用率,所以要注意间隔时间的设置,特别是用多个工具对比分析时,你一定要保证他们用的是相同的间隔时间

怎么查看CPU使用率

查看 CPU 使用率 top 、ps 和pidstat是最常用的性能分析工具 :

  • top 显示了系统总体的 CPU 和内存使用情况,以及各个进程的资源使用情况。

  • ps 则只显示了每个进程的资源使用情况。

  • pidstat分析每个进程CPU使用情况

1.3.1.CPU使用率过高怎么办

分析思路

1、找到CPU使用率过高的进程

通过top、ps 、pidstat等工具

2、判断占用CPU高的到底是代码里的那个函数

perf 和 GDB

GDB(The GNU Project Debugger), 这个功能强大的程序调试利器 ,GDB 调试程序的过程会中断程序运行,这在线上环境往往是不允许的;

perf 是 Linux 2.6.31 以后内置的性能分析工具。它以性能事件采样为基础,不仅可以分析系统的各种事件和内核性能,还可以用来分析指定应用程序的性能问题 ,使用 perf 分析 CPU 性能问题,perf两种用法

第一种常见用法是 perf top,类似于 top,它能够实时显示占用 CPU 时钟最多的函数或者指令,因此可以用来查找热点函数,使用界面如下所示:

[root@centos7-2 ~]# perf top Samples: 724 of event 'cpu-clock', Event count (approx.): 125711088 Overhead Shared Object Symbol 45.11% [kernel] [k] generic_exec_single ...

输出结果中,第一行包含三个数据,分别是采样数(Samples)、事件类型(event)和事件总数量(Event count)。比如这个例子中,perf 总共采集了1000个 CPU 时钟事件,而总事件数则为 271937500。采样数需要特别注意,如果采样数过少(比如只有十几个),那下面的排序和百分比就没什么实际参考价值了。

  • 第一列 Overhead ,是该符号的性能事件在所有采样中的比例,用百分比来表示。

  • 第二列 Shared ,是该函数或指令所在的动态共享对象(Dynamic Shared Object),如内核、进程名、动态链接库名、内核模块名等。

  • 第三列 Object ,是动态共享对象的类型。比如 [.] 表示用户空间的可执行程序、或者动态链接库,而 [k] 则表示内核空间。

  • 第四列 Symbol 是符号名,也就是函数名。当函数名未知时,用十六进制的地址来表示。

第二种常见用法,也就是 perf record 和 perf report。perf top 虽然实时展示了系统的性能信息,但它的缺点是并不保存数据,也就无法用于离线或者后续的分析。而 perf record 则提供了保存数据的功能,保存后的数据,需要用 perf report 解析展示

perf record # 按 Ctrl+C 终止采样 [root@centos7-2 ~]# perf report Samples: 5K of event 'cpu-clock', Event count (approx.): 1332500000 Overhead Command Shared Object Symbol 97.15% swapper [kernel.kallsyms] [k] native_safe_halt 0.49% swapper [kernel.kallsyms] [k] _raw_spin_unlock_irqrestore 0.36% vmtoolsd libvmtools.so.0.0.0 [.] Backdoor_InOut 0.34% swapper [kernel.kallsyms] [k] __do_softirq 0.17% swapper [kernel.kallsyms] [k] tick_nohz_idle_exit 0.13% swapper [kernel.kallsyms] [k] tick_nohz_idle_enter 0.13% vmtoolsd [kernel.kallsyms] [k] _raw_spin_unlock_irqrestore 0.11% kworker/0:1 [kernel.kallsyms] [k] _raw_spin_unlock_irqrestore 0.11% vmtoolsd libvmtools.so.0.0.0 [.] BackdoorHbOut 0.08% dockerd [kernel.kallsyms] [k] _raw_spin_unlock_irqrestore 0.08% vmtoolsd [kernel.kallsyms] [k] __do_softirq 0.06% kworker/1:2 [kernel.kallsyms] [k] queue_delayed_work_on 0.06% vmtoolsd [kernel.kallsyms] [k] format_decode 0.04% irqbalance [kernel.kallsyms] [k] cap_mmap_file 0.04% kworker/0:0 [kernel.kallsyms] [k] ata_sff_pio_task 0.04% kworker/1:2 [kernel.kallsyms] [k] _raw_spin_unlock_irqrestore 0.04% mysqld mysqld [.] fts_optimize_words 0.04% swapper [kernel.kallsyms] [k] rcu_idle_exit 0.04% vmtoolsd libvmtools.so.0.0.0 [.] BackdoorHbIn 0.02% dockerd [kernel.kallsyms] [k] __do_softirq 0.02% in:imjournal rsyslogd [.] 0x0000000000016f90 0.02% irqbalance [kernel.kallsyms] [k] __fsnotify_parent 0.02% irqbalance [kernel.kallsyms] [k] _raw_spin_unlock_irqrestore 0.02% irqbalance [kernel.kallsyms] [k] copy_user_generic_unrolled 0.02% irqbalance [kernel.kallsyms] [k] native_flush_tlb_single 0.02% irqbalance [kernel.kallsyms] [k] unmap_page_range Tip: For tracepoint events, try: perf report -s trace_fields

2.linux性能工具

2.1.CPU性能指标

从 CPU 的性能指标出发。也就是说,当要查看某个性能指标时,要清楚知道哪些工具可以做到。

根据不同的性能指标,对提供指标的性能工具进行分类和理解。这样,在实际排查性能问题时,你就可以清楚知道,什么工具可以提供你想要的指标。

Linux查看性能指标工具


2.2.根据工具查指标

第二个维度,从工具出发。也就是当你已经安装了某个工具后,要知道这个工具能提供哪些指标。

具体到每个工具的使用方法,一般都支持丰富的配置选项。这些配置选项并不用背下来。你只要知道有哪些工具、以及这些工具的基本功能是什么就够了。真正要用到的时候, 通过 man 命令,查它们的使用手册就可以了 。

性能指标工具


3.性能调优策略

CPU 优从 应用程序 系统 的角度,分别来看看如何才能降低 CPU 使用率,提高 CPU 的并行处理能力。

3.1.应用程序优化

首先,从应用程序的角度来说,降低 CPU 使用率的最好方法当然是,排除所有不必要的工作,只保留最核心的逻辑。比如减少循环的层次、减少递归、减少动态内存分配等等。

编译器优化:很多编译器都会提供优化选项,适当开启它们,在编译阶段你就可以获得 编译器的帮助,来提升性能。

算法优化:使用复杂度更低的算法,可以显著加快处理速度

异步处理:使用异步处理,可以避免程序因为等待某个资源而一直阻塞,从而提升程序 的并发处理能力。比如,把轮询替换为事件通知,就可以避免轮询耗费 CPU 的问题。

多线程代替多进程:相对于进程的上下文切换,线程的上下文切换并不切换进程地址空间,因此可以降低上下文切换的成本。

善用缓存:经常访问的数据或者计算过程中的步骤,可以放到内存中缓存起来,这样在 下次用时就能直接从内存中获取,加快程序的处理速度。

3.2.系统优化

从系统的角度来说,优化 CPU 的运行,一方面要充分利用 CPU 缓存的本地性,加速缓存访问;另一方面,就是要控制进程的 CPU 使用情况,减少进程间的相互影响。

CPU 绑定:把进程绑定到一个或者多个 CPU 上,可以提高 CPU 缓存的命中率,减少跨 CPU 调度带来的上下文切换问题。

CPU 独占:跟 CPU 绑定类似,进一步将 CPU 分组,并通过 CPU 亲和性机制为其分配进程。这样,这些 CPU 就由指定的进程独占,换句话说,不允许其他进程再来使用这些 CPU。

优先级调整:使用 nice 调整进程的优先级,正值调低优先级,负值调高优先级。为进程设置资源限制:使用 Linux cgroups 来设置进程的 CPU 使用上限,可以防止由于某个应用自身的问题,而耗尽系统资源。

中断负载均衡:无论是软中断还是硬中断,它们的中断处理程序都可能会耗费大量的 CPU。开启 irqbalance 服务或者配置 smp_aw inity,就可以把中断处理过程自动负载均衡到多个 CPU 上。



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