Linux性能优化之上下文切换

写在前面上下文切换因为会导致消耗大量的CPU资源导致CPU升高所以上下文切换也是最常见的性能杀手之一。本文就一起来看下这部分内容吧。1基础内容介绍1.1什么是上下文切换CPU在执行的时候需要两部分的内容寄存器中要执行的程序信息以及程序计数器中执行的位置信息。这两部分内容也就是所谓的上下文。在执行的过程中比如从一个线程切换到另外一个线程执行那么寄存器和程序计数器中的信息就需要替换为要执行的线程的。这个过程我们就叫做上下文切换。其中老线程的上下文下信息会被暂存到内核中以待下次运行使用。注意这个切换的过程是要消耗CPU资源的并且此期间CPU是干不了活的。2.1常见的上下文切换有哪些类型2.1.1进程上下文切换进程是操作系统调度的基本单元拥有独立的虚拟内存等资源信息所以进程的上下文切换除了要切换CPU寄存器程序计数器的信息外还需要切换虚拟内存等资源信息。所以进程上下文切换的成本是比较高的。但是对于实际的线上环境部署现在一般都是使用docker部署的不考虑系统进程的话只会有一个应用进程在跑所以出现问题一般不会是进程上下文切换导致的。2.1.2线程上下文切换线程的上下文切换是我们需要重点关注的线上出现的上下文切换问题一般都属于线程上下文切换。线程的上下文切换就是要暂存CPU寄存器和程序计数器的的内容到内核中并加载新线程的程序信息到寄存器和计数器中。当然这里是属于同一个进程内的两个线程的上下文切换的情况。另外一种情况是属于不同的进程的线程的上下文切换这种其实就是进程的上下文切换了不用过多关注。所以线程的上下文切换其实是比进程的上下文切换有优势的所以一般现在开发的都是单进程多线程的程序而非多进程程序了。2.1.3中断上下文切换当CPU收到了来自硬件的中断信号后也会暂存当前的执行信息转而执行中断程序比如获取来自网卡的网络信息或者是来自键盘的录入信息等。中断的优先级是高于进程优先级的所以可以暂停进程的执行。CPU根据中断信号中携带的信息可以查找到需要执行的中断程序。最后还有系统调用也会引起上下文切换因为系统调用后就会从用户态切换到内核态运行所以肯定是会发生上下文切换以及系统调用完成后重新从内核态切回到用户态如下图注意这里Ring1和Ring2在Linux中没有用到。但是因为不会切换到其他线程也不会切换到其他进程所以系统调用的过程我们一般称之为特权模式切换而非上下文切换但要知道会引起上下文切换这点因为也是个潜在的问题比如程序频繁的调用file.read()也是可能出现问题的。3案例演示我本地是单核的虚拟机环境如果你配置比较高可以适当调节参数以便更好的看到实验效果。没有实际的案例演示就看不到实际的效果看不到实际的效果就会总会有种空中楼阁的感觉。所以这部分就来看下实际的案例演示。开始之前先来看下正常情况的指标:rootdongyunqi:/home/dongyunqi# vmstat 1 1 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 874696 65436 726536 0 0 2 5 49 13 0 1 99 0 0 0此时cs列的值是13是比较小的。接着开始实验。执行命令sysbench --threads10 --max-time300 threads run模拟十个线程执行rootdongyunqi:/home/dongyunqi# sysbench --threads10 --max-time300 threads run WARNING: --max-time is deprecated, use --time instead sysbench 1.0.20 (using system LuaJIT 2.1.0-beta3) Running the test with following options: Number of threads: 10 Initializing random number generator from current time Initializing worker threads... Threads started!看下此时cs情况dongyunqidongyunqi:~$ vmstat 1 procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- -------cpu------- r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st gu 4 0 0 873196 65448 726540 0 0 2 5 49 13 0 1 99 0 0 0 6 0 0 873196 65448 726540 0 0 0 0 1011 215835 17 83 0 0 0 0 6 0 0 873196 65448 726540 0 0 0 0 1010 236680 19 81 0 0 0 0 7 0 0 873196 65448 726540 0 0 0 0 973 227112 18 82 0 0 0 0 5 0 0 873196 65448 726540 0 0 0 0 1008 232630 16 84 0 0 0 0 ^C已经飙升到20万效果很明显了。而且us sy两列加起来已经100%了说明此时CPU已经跑满了并且大部分都是sys即内核占用的可以top来看下CPU查看是哪个进程导致的cs升高可以看到是sysbench。写在后面参考文章列表上下文切换分析 。