究竟什么是上下文切換？

我們經(jīng)常聽到上下文切換這個(gè)詞語，但是究竟什么是上下文切換呢？

概念

Linux是一個(gè)多任務(wù)的操作系統(tǒng)，可以同時(shí)多個(gè)任務(wù)并發(fā)執(zhí)行，任務(wù)數(shù)超過CPU核心數(shù)。當(dāng)然同一時(shí)刻在執(zhí)行的任務(wù)數(shù)，最多也就只能是CPU核心數(shù)，只不過CPU時(shí)間片在多個(gè)任務(wù)之間來回切換罷了。上下文切換就是為了保存任務(wù)切換時(shí)刻的基本信息，當(dāng)CPU重新執(zhí)行任務(wù)的時(shí)候可以加載上下文信息，從當(dāng)時(shí)退出的位置、狀態(tài)重新開始執(zhí)行任務(wù)。這里所說的上下文信息，既包括虛擬內(nèi)存、棧、全局變量等用戶態(tài)的資源，也包括內(nèi)核堆棧、寄存器等內(nèi)核態(tài)的資源。

上下文包含什么信息

一個(gè)進(jìn)程的信息包含很多，可以理解為幾個(gè)方面：CPU-狀態(tài)信息、I/O狀態(tài)信息、父子進(jìn)程信息等：

· 進(jìn)程狀態(tài)：如就緒、運(yùn)行、阻塞等，表示進(jìn)程當(dāng)前的執(zhí)行狀態(tài)。

· 程序計(jì)數(shù)器（PC）：記錄進(jìn)程下一條指令的地址。

· 寄存器內(nèi)容：包括通用寄存器、特殊寄存器等，保存進(jìn)程切換時(shí)的 CPU 狀態(tài)。

· 內(nèi)存管理信息：如頁面表、段表、內(nèi)存限制等，用于管理進(jìn)程的內(nèi)存分配。

· 調(diào)度信息：如進(jìn)程優(yōu)先級、調(diào)度隊(duì)列中的位置等，用于進(jìn)程調(diào)度。

· I/O 狀態(tài)信息：記錄進(jìn)程當(dāng)前所使用的 I/O 設(shè)備、文件描述符等。

· 進(jìn)程標(biāo)識符（PID）：唯一標(biāo)識進(jìn)程的 ID。

· 父進(jìn)程和子進(jìn)程信息：包括父進(jìn)程 PID、子進(jìn)程鏈表等。

· 時(shí)間信息：如進(jìn)程的啟動時(shí)間、CPU 時(shí)間片消耗等。

這些信息在內(nèi)核中是通過結(jié)構(gòu)體存儲的，即PCB（Process Control Block）進(jìn)程控制塊，下圖只是示意，不包含所有內(nèi)容，在進(jìn)程讓出CPU的時(shí)候，這些上下文信息會保存到內(nèi)核中，當(dāng)下次執(zhí)行的時(shí)候再從內(nèi)核中加載回來。

在Linux源碼中是通過結(jié)構(gòu)體task_struct來存儲的：

上下文切換的類型

· 進(jìn)程上下文切換：最經(jīng)常聽到上下文切換，多個(gè)進(jìn)程并發(fā)，很好理解。

· 線程上下文切換：包含了同一個(gè)進(jìn)程內(nèi)的和不同進(jìn)程內(nèi)的，不同進(jìn)程內(nèi)的消耗等同于進(jìn)程上下文切換。

· 中斷上下文切換：因?yàn)橥庠O(shè)控制器執(zhí)行速度通常慢于CPU，比如打印一個(gè)數(shù)據(jù)這個(gè)時(shí)候需要內(nèi)核調(diào)用顯示設(shè)備，很慢怎么辦呢？這個(gè)是時(shí)候就會觸發(fā)中斷，讓CPU先干別的進(jìn)程，等打印完成了再回來。

分析工具

vmstat：查看整個(gè)系統(tǒng)的上下文切換情況

· cs（context switch）是每秒上下文切換的次數(shù)。

· in（interrupt）則是每秒中斷的次數(shù)。

· r（Running or Runnable）是就緒隊(duì)列的長度，也就是正在運(yùn)行和等待 CPU 的進(jìn)程數(shù)。

· b（Blocked）則是處于不可中斷睡眠狀態(tài)的進(jìn)程數(shù)。

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
 1  0      0 1944104 1026704 24011784    0    0    12    14   10    6  1  1 98  0  0
 1  0      0 1944072 1026704 24012760    0    0     0     0 2917 5351  1  1 98  0  0
 0  0      0 1945356 1026720 24011852    0    0     0   376 3559 6155  1  1 98  0  0

· cswch 表示每秒自愿上下文切換（voluntary context switches）的次數(shù)。

· nvcswch 表示每秒非自愿上下文切換（non voluntary context switches）的次數(shù)。

pidstat -w 5
// =======================================
Average:      UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command
Average:        0        12      0.60      0.00  ksoftirqd/0
Average:        0        13     62.48      0.00  rcu_sched
Average:        0        14      0.40      0.00  migration/0
Average:        0        19      0.40      0.00  migration/1
Average:        0        25      0.40      0.00  migration/2
Average:        0        26      0.20      0.00  ksoftirqd/2