对于性能来说,cpu的调度逻辑是影响性能的主要来源,本文主要来介绍下cpu跟性能相关的调度逻辑和排障工具。
Linux 是一个多任务操作系统,支持远大于 CPU 数量的任务同时运行,而这里的同时运行采用的是分时逻辑的思路,只是看起来多个进程是同时运行的。
任务运行前,CPU通过系统事先帮它设置好的 CPU 寄存器和程序计数器(Program Counter,PC)来完成加载。
**CPU 上下文:**CPU 在运行任何任务前,必须的依赖环境,也就是 CPU 寄存器和程序计数器。 **CPU 寄存器:**是 CPU 内置的容量小、但速度极快的内存。 **程序计数器:**则是用来存储 CPU 正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置。
CPU 上下文切换:就是先把前一个任务的 CPU 上下文保存到操作系统的内核中,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。
在操作系统中CPU调度的任务有三类,分别是进程、线程和中断程序,所以上下文切换也可以分为这三类:
系统调用: 在开始介绍这三类上下文切换之前,我们先来看下系统调用,系统调用指的是用户态到内核态的转变,例如:open(),read()等。
一次系统调用的过程,只会发生在同一个进程中,其实是发生了两次 CPU 上下文切换,过程如下所示:
1.CPU 寄存器里原来用户态的指令位置,需要先保存起来。
2.接着,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.然后再切换到用户空间,
6.继续运行进程。
1.进程上下文切换:
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状态,进程的上下文切换步骤如下所示:
1.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;
2.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。
备注:每次上下文切换都需要几十纳秒到数微秒的 CPU 时间。
这种切换的次数变多,就会导致上下文切换时间变久,运行进程的时间占比变少,进而导致平均负载升高。
进程调度原理:
Linux 为每个 CPU 都维护了一个就绪队列,将活跃进程(即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。触发进程调度的场景如下所示:
1.某个进程的时间片耗尽了,就会被系统挂起,切换到其它正在等待 CPU 的进程运行。
2.进程在系统资源不足(比如内存不足)时,要等到资源满足后才可以运行,这个时候进程也会被挂起,并由系统调度其他进程运行。
3.进程通过睡眠函数 sleep 这样的方法将自己主动挂起时,自然也会重新调度。
4.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。
5.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。
2.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,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。线程也有自己的私有数据,比如栈和寄存器等,这些在上下文切换时也是需要保存的。
对于不同进程里面的线程之间的切换,与进程间的上下文切换是一致的。 对于同一进程里面的不同线程之间的切换,区别较大,如下所示:
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。
3.中断上下文切换:
为了快速响应硬件的事件,中断处理会打断进程的正常调度和执行,转而调用中断处理程序,响应设备事件。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,这种行为发生在内核态。
1.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、硬件中断参数等。
2.对同一个 CPU 来说,中断处理比进程拥有更高的优先级,
所以中断上下文切换并不会与进程上下文切换同时发生。
3.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。
vmstat 是一个常用的系统性能分析工具,主要用来分析系统的内存使用情况,也常用来分析 CPU 上下文切换和中断的次数。
# 每隔5秒输出1组数据
$ vmstat 5
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st
0 0 0 7005360 91564 818900 0 0 0 0 25 33 0 0 100 0 0
# 指标介绍:
# 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。
# us 用户态使用的cpu占比
# sy 内核态使用的cpu占比
pidstat用来查看每个进程的详细情况:
自愿上下文切换(voluntary context switches):是指进程无法获取所需资源,导致的上下文切换,比如说, I/O、内存等系统资源不足时,就会发生自愿上下文切换。
**非自愿上下文切换(**non voluntary context switches):则是指进程由于时间片已到等原因,被系统强制调度,进而发生的上下文切换,比如说,大量进程都在争抢 CPU 时,就容易发生非自愿上下文切换。
# 每隔1秒输出一组数据(需要 Ctrl+C 才结束)
# -wt 参数表示输出线程的上下文切换指标,t指的是线程
$ pidstat -wt 1
08:14:05 UID TGID TID cswch/s nvcswch/s Command
...
08:14:05 0 10551 - 6.00 0.00 sysbench
08:14:05 0 - 10551 6.00 0.00 |__sysbench
08:14:05 0 - 10552 18911.00 103740.00 |__sysbench
08:14:05 0 - 10553 18915.00 100955.00 |__sysbench
08:14:05 0 - 10554 18827.00 103954.00 |__sysbench
...
#指标解释:
# cswch:表示每秒自愿上下文切换的次数,
# nvcswch:表示每秒非自愿上下文切换的次数。
查看中断发生情况:
# -d 参数表示高亮显示变化的区域
$ watch -d cat /proc/interrupts
CPU0 CPU1
...
RES: 2450431 5279697 Rescheduling interrupts
...
#指标说明:
#重调度中断(RES),这个中断类型表示,唤醒空闲状态的 CPU 来调度新的任务运行。
场景总结:
1.自愿上下文切换变多:说明进程都在等待资源,有可能发生了 I/O 等其他问题。
2.非自愿上下文切换变多:说明进程都在被强制调度,也就是都在争抢 CPU,说明 CPU 的确成了瓶颈。
3.中断次数变多:说明 CPU 被中断处理程序占用,还需要通过查看 /proc/interrupts 文件来分析具体的中断类型。
备注,两类压测工具介绍:
stress基于多进程的,会fork多个进程,导致进程上下文切换,导致us开销很高。sysbench基于多线程的,会创建多个线程,单一进程基于内核线程切换,导致sy的内核开销很高。
原文地址:https://zhuanlan.zhihu.com/p/571624940
作者:linux