到底什么是上下文切換？

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我們經(jīng)常聽到上下文切換這個詞語，但是究竟什么是上下文切換呢？

概念

Linux 是一個多任務(wù)的操作系統(tǒng)，可以同時多個任務(wù)并發(fā)執(zhí)行，任務(wù)數(shù)超過CPU核心數(shù)。當然同一時刻在執(zhí)行的任務(wù)數(shù)，最多也就只能是CPU核心數(shù)，只不過CPU時間片在多個任務(wù)之間來回切換罷了。上下文切換就是為了保存任務(wù)切換時刻的基本信息，當CPU重新執(zhí)行任務(wù)的時候可以加載上下文信息，從當時退出的位置、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

看下圖，一個進程的信息包含很多，我覺得可以理解為幾個方面：CPU-狀態(tài)信息 I/O狀態(tài)信息 父子進程信息等：

• 進程狀態(tài)：如就緒、運行、阻塞等，表示進程當前的執(zhí)行狀態(tài)。

• 程序計數(shù)器（PC）：記錄進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，保存進程切換時的 CPU 狀態(tài)。

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

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

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

• 進程標識符（PID）：唯一標識進程的 ID。

• 父進程和子進程信息：包括父進程 PID、子進程鏈表等。

• 時間信息：如進程的啟動時間、CPU 時間片消耗等。

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）進程控制塊，下圖只是示意，不包含所有內(nèi)容，在進程讓出CPU的時候，這些上下文信息會保存到內(nèi)核中，當下次執(zhí)行的時候再從內(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

--1 進程上下文切換：最經(jīng)常聽到上下文切換，多個進程并發(fā)，很好理解。

--2 線程上下文切換：包含了同一個進程內(nèi)的和不同進程內(nèi)的，不同進程內(nèi)的消耗等同于進程上下文切換。

--3 中斷上下文切換：因為外設(shè)控制器執(zhí)行速度通常慢于CPU，比如打印一個數(shù)據(jù)這個時候需要內(nèi)核調(diào)用顯示設(shè)備，很慢怎么辦呢？這個是時候就會觸發(fā)中斷，讓CPU先干別的進程，等打印完成了再回來。

分析工具

vmstat：查看整個系統(tǒng)的上下文切換情況

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

• 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）是就緒隊列的長度，也就是正在運行和等待 CPU 的進程數(shù)。

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

pidstat：查看具體某個進程的上下文切換情況

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

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)。