CPU 上下文切换

上下文切换（Context Switch） 是操作系统中，当 CPU 在多个进程或线程之间切换执行时发生的操作。它是多任务系统实现并发执行的核心机制之一。

上下文 是指 CPU 运行一个进程或线程时的状态，包括以下内容：

1. 寄存器：存储当前进程的运行状态（如指令指针、程序计数器、栈指针等）。
2. 内存映射：包括进程的地址空间、虚拟内存页表等。
3. CPU 状态：进程当前的运行模式（用户态或内核态）。
4. 进程控制块（PCB）：保存进程的上下文信息。

上下文切换的场景：

1. 进程上下文切换：当操作系统调度器决定暂停一个进程并切换到另一个进程时，需要保存当前进程的上下文，并恢复目标进程的上下文。
2. 线程上下文切换：线程属于同一个进程，但每个线程有自己独立的执行上下文（如寄存器状态、栈指针），切换时也会涉及上下文保存与恢复。
3. 中断上下文处理：当硬件或软件中断发生时，CPU 会暂停当前进程处理中断，完成后恢复原进程的上下文。

上下文切换的步骤：

1. 保存上下文：将当前进程/线程的寄存器、栈指针等信息保存到进程控制块（PCB）中。
2. 加载新上下文：从目标进程的 PCB 中加载该进程的寄存器状态、栈指针等信息。
3. 切换内存映射：切换虚拟内存的页表，以确保 CPU 访问的是新进程的内存空间。

上下文切换的开销： 上下文切换涉及保存和恢复进程状态、切换内存映射等操作，这需要 CPU 额外的时间。频繁的上下文切换会导致性能下降，因为每次切换时，CPU 需要停下来保存/加载状态，而不是执行有用的工作。因此，系统设计通常会尽量减少不必要的上下文切换。

1 进程上下文切换

进程上下文切换详情

调度的时机：

• 进程进行系统调用时，可能会发生系统调用时上下文调度
• 时间片耗尽
• 进程阻塞
• 优先级调度
• 中断

2 线程上下文切换

线程上下文切换详情

• 线程属于不同的进程
  • 同进程上下文调度
• 线程间属于同一进程
  • 共享相同的虚拟内存、全局变量等资源
  • 切换栈、寄存器等线程私有数据

3 中断上下文切换

中断上下文切换详情

• 硬件&软件中断时
• 优先级比进程、线程优先级高
• 中断只需要内核态的状态，CPU 寄存器，内核堆栈，硬件中断参数等

4 CPU 上下文切换的问题

会将大量的CPU时间浪费保存和恢复程序状态上面，缩短真正的运行时间，导致系统整体性能大幅下降

5 查看CPU上下文切换

# CPU 上下文切换
vmstat 5

输出内容：

procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- -------cpu-------
 r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st gu
 1  0      0 3230412  44980 526092    0    0     5     8   49    0  0  0 99  0  0  0

内容含义查看：

vmstat(8) - Linux 手册页 --- vmstat(8) - Linux manual page: https://man7.org/linux/man-pages/man8/vmstat.8.html

重要字段：

• 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。

pidstat -w 5

内容输出：

Linux 6.8.0-44-generic (dy-turbo-vm) 	09/14/2024 	_aarch64_	(2 CPU)

11:54:39 AM   UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command
11:54:44 AM     0        16      0.20      0.00  ksoftirqd/0
11:54:44 AM     0        17      0.40      0.00  rcu_preempt
11:54:44 AM     0        18      0.40      0.00  migration/0
11:54:44 AM     0        23      0.40      0.00  migration/1
11:54:44 AM     0        34      1.98      0.00  kcompactd0
11:54:44 AM     0        48      0.20      0.00  kworker/0:1H-kblockd
11:54:44 AM     0       470      1.39      0.00  multipathd
11:54:44 AM     0       712     10.69      0.00  vmtoolsd
11:54:44 AM     0      5892      3.17      0.00  kworker/0:1-events
11:54:44 AM     0      6488      1.98      0.00  kworker/u4:0-events_power_efficient
11:54:44 AM     0      6501      6.34      0.00  kworker/1:3-events
11:54:44 AM     0      6677      4.75      0.00  kworker/u4:2-events_unbound
11:54:44 AM  1000      6969     18.22      0.00  sshd
11:54:44 AM  1000      7085      0.20      0.00  pidstat

pidstat(1) - Linux manual page: https://man7.org/linux/man-pages/man1/pidstat.1.html

重要字段：

• cswch/s ： 每秒自愿上下文切换次数（自愿：I/O等待，申请内存等需要等待资源ready的操作）
• nvcswch/s ： 每秒非自愿上下文切换次数（非资源：时间片达到等）