linux性能优化-CPU上下文切换

news2024/11/8 17:53:10

疑问:进程在竞争CPU时并没有真正运行,为什么还会导致系统的负载升高?

因为存在CPU上下文切换。

linux系统说明

  1. Linux是一个多任务操作系统,它支持远大于CPU数量的任务同时运行。当然,这些任务实际上并不是真的在同时运行,而是因为系统在很短的时间内,将CPU轮流分配给他们,造成多任务同时运行的错觉。
  2. Linux按照特权等级,把进程的运行空间分为内核空间和用户空间,分别对应着下图中, CPU特权等级的Ring0和Ring3。
    (1)内核空间(Ring0): 具有最高权限,可以直接访问所有资源;
    (2)用户空间(Ring3): 只能访问受限资源,不能直接访问内存等硬件设备,必须通过系统调用陷入到内核中,才能访问这些特权资源;
    (3)Linux中,只用到Ring0和Ring3这两个特权级;
    在这里插入图片描述
  3. /proc是Linux的一个虚拟文件系统,用于内核空间与用户空间之间的通信。/proc/interrupts提供了一个只读的中断使用情况。

CPU上下文切换分类

根据任务的不同,CPU上下文切换可以分为几个不同的场景,进程上下文切换,线程上下文切换,中断上下文切换。

一、系统调用

  1. 在发生系统调用时,CPU寄存器里原来用户态的指令位置,需要先保存起来。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。最后才跳转到内核态运行内核任务;
  2. 系统调用结束后,CPU寄存器需要恢复原来保存的用户态,然后再切换到用户空间,继续运行进程。所以,一次系统调用的过程,发生了两次的CPU上下文切换。
  3. 注意:系统调用过程中,并不会涉及到虚拟内存等进程用户态的资源,也不会切换进程,一直是同一个进程在运行。
  4. 系统调用过程通常称为特权模式切换,而不是上下文切换。

二、进程上下文切换

  1. 进程是由内核来管理和调度的,进程的切换只能发生在内核态。所以,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。
  2. 进程上下文切换,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;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。
  3. 每次上下文切换需要几十纳秒到数微妙的CPU时间。
  4. 进程切换时需要切换上下文。

进程调度触发场景

  1. 为了保证所有进程可以得到公平调度,CPU时间被划分为一段段的时间片,这些时间片再被轮流分配给各个进程。这样,当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. 当进程通过睡眠函数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。

三、线程上下文切换

  1. 线程是调度的基本单位,而进程是资源拥有的基本单位;内核中的任务调度,实际调度对象是线程。
  2. 当进程只有一个线程时,可以认为进程等于线程。
  3. 当进程拥有多个线程时,这些线程会共享相同的虚拟内存和全局变量等资源。这些资源在上下文切换时是不需要修改的。
  4. 线程拥有自己的私有数据,比如栈和寄存器,这些在上下文切换时是需要保存的。

线程上下文切换场景

  1. 两个线程属于不同进程,与进程上下文切换保持一致。
  2. 两个线程属于同一进程,虚拟内存共享,所以切换消耗资源更少。

四、中断上下文切换

  1. 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。
  2. 中断上下文切换并不涉及到进程的用户态。所以,即便中断过程打断了一个正处在用户态的进程,也不需要保存和恢复这个进程的虚拟内存,全局变量等用户态资源。

五、总结

  1. 过多的上下文切换会把CPU时间消耗在寄存器,内核栈以及虚拟内存等数据的保存和恢复上,从而缩短进程真正的运行时间,导致系统的整体性能大幅下降。
  2. 切换开销大致排名:进程上下文切换>同进程线程上下文切换>中断上下文切换/系统调用。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 中断次数变多了,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。

六、相关工具

  1. vmstat: 系统性能分析工具, 主要用来分析内存,也常用来分析CPU上下文切换和中断的次数。
  2. pidstat: -w参数查看上下文切换
    (1)cswch: 每秒自愿上下文切换次数,指进程无法获取所需资源,导致的上下文切换。比如I/O, 内存等系统资源不足,就会发生自愿上下文切换。
    (2)nvcswch: 每秒非自愿上下文切换,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。
  3. sysbench: 多线程的基准测试工具,一般用来评估不同系统参数下的数据库负载情况。

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:http://www.coloradmin.cn/o/185482.html

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系多彩编程网进行投诉反馈,一经查实,立即删除!

相关文章

pytorch-lightning中使用wandb实现超参数搜索

由于最近涉及下游任务微调,预训练任务中的框架使用的是pytorch-lightning,使用了典型的VLP(vision-language modeling)的训练架构,如Vilt代码中:https://github.com/dandelin/ViLT,这类架构中只涉及到预训练&#xff0…

51单片机学习-5定时器与中断

5 定时器与中断 [toc] 注:笔记主要参考B站江科大自化协教学视频“51单片机入门教程-2020版 程序全程纯手打 从零开始入门”。 注:工程及代码文件放在了本人的Github仓库。 5.1 定时器原理与中断系统 5.1.1 定时器原理 CPU的时序指标有: 振…

C语言预处理命令是什么?

C语言源文件要经过编译、链接才能生成可执行程序:1) 编译(Compile)会将源文件(.c文件)转换为目标文件。对于 VC/VS,目标文件后缀为.obj;对于GCC,目标文件后缀为.o。编译是针对单个源…

ESP32设备驱动-ADS1015(ADC)驱动

ADS1015(ADC)驱动 1、ADS1015介绍 ADS1015 是一款具有 12 位分辨率的精密模数转换器 (ADC),采用超小型无引线 QFN-10 封装或 MSOP-10 封装。 ADS1015 的设计考虑了精度、功率和易于实施。 ADS1015 具有板载基准和振荡器。 数据通过 I2C 兼容的串行接口传输; 可以选择四个 I…

Portapack应用开发教程(十八)NavTex接收 C

有段时间没研究NavTex了,这段时间打算捡起来继续搞。 上一篇文章中,我用frisnit生成了wav文件。然后再用gnuradio观察波形,发现波形确实能与frisnit中的描述以及python解码程序中的dictionary对应上。 接下来,我要重点想办法自己…

Rust机器学习之petgraph

Rust机器学习之petgraph 图作为一种重要的数据结构和表示工具在科学和技术中无处不在。因此,许多软件项目会以各种形式用到图。尤其在知识图谱和因果AI领域,图是最基础的表达和研究工具。Python有著名的NetworksX库,便于用户对复杂网络进行创…

apt命令详解

apt(Advanced Packaging Tool)是一个在 Debian 和 Ubuntu 中的 Shell 前端软件包管理器。 apt 命令提供了查找、安装、升级、删除某一个、一组甚至全部软件包的命令,而且命令简洁而又好记。 apt 命令执行需要超级管理员权限(root)。前些日子…

基于java ssm springboot宠物用品商城系统

基于java ssm springboot宠物用品商城系统 博主介绍:5年java开发经验,专注Java开发、定制、远程、文档编写指导等,csdn特邀作者、专注于Java技术领域 作者主页 超级帅帅吴 Java毕设项目精品实战案例《500套》 欢迎点赞 收藏 ⭐留言 文末获取源码联系方式…

Python 基础语法介绍(一)

文章目录一、概述二、变量1)变量定义2)定义变量的规则3)变量命名规范4)变量类型转换三、注释1)单行注释2)多行注释1、单引号()注释2、双引号("""&#xf…

Kubernetes 体验 kubecolor

Kubernetes 体验 kubecolorkubecolor 概述Github 地址安装 kubecolor设置.bashrc使用 kubecolorkubecolor 概述 对你的kubectl输出进行着色。 kubecolor在内部调用kubectl命令并尝试对输出进行着色,因此你可以将kubecolor作为kubectl的一个完整的替代品。这意味着…

JAVA经典面试题带答案(一)

目录 1、JDK 和 JRE 有什么区别? 2、 和 equals 的区别是什么? 3、final 在 java 中有什么作用? 4、java 中的 Math.round(-1.5) 等于多少? 5、String 属于基础的数据类型吗? 不属于。 6、String str"i&quo…

51单片机学习笔记-13直流电机

13 直流电机 [toc] 注:笔记主要参考B站江科大自化协教学视频“51单片机入门教程-2020版 程序全程纯手打 从零开始入门”。 注:工程及代码文件放在了本人的Github仓库。 13.1 直流电机与PWM波 13.1.1 直流电机 直流电机是一种将电能转换为机械能的装置…

Docker -- 部署Mysql主从服务

以下是配置一主两从的Mysql服务的具体流程。 文章目录创建用于挂载的目录修改cnf配置拉取mysql服务镜像自定义docker网络启动容器主库配置查看主库状态创建从库备份用户从库配置修改Master信息启动slave服务查看slave服务状态是否正常创建用于挂载的目录 保证数据的持久化&…

Databend 内幕大揭秘第二弹 - Data Source

本篇是 minibend 系列的第二期,将会介绍 Data Source 部分的设计与实现,当然,由于是刚开始涉及到编程的部分,也会提到包括 类型系统 和 错误处理 之类的一些额外内容。 前排指路视频和 PPT 地址 视频(哔哩哔哩&#xf…

23种设计模式之趣味学习篇

23种设计模式之趣味学习篇1. 设计模式概述1.1 什么是设计模式1.2 设计模式的好处2. 设计原则分类3. 详解3.1 单一职责原则3.2 开闭原则3.3 里氏代换原则3.4 依赖倒转原则3.5 接口隔离原则3.6 合成复用原则3.7 迪米特法则4. Awakening1. 设计模式概述 我们的软件开发技术也包括一…

【1669. 合并两个链表】

来源:力扣(LeetCode) 描述: 给你两个链表 list1 和 list2 ,它们包含的元素分别为 n 个和 m 个。 请你将 list1 中下标从 a 到 b 的全部节点都删除,并将list2 接在被删除节点的位置。 下图中蓝色边和节点…

【算法竞赛学习】csoj:寒假第二场

文章目录前言红包接龙最后一班勇者兔兔兔爱消除吃席兔知识拓展std::greater | 堆优化参考iota函数参考并查集参考sort自定义函数参考树形dp参考使用auto时控制分隔符前言 由于本人菜鸡,所以大多都是使用出题人的代码和思路 如有侵权,麻烦联系up删帖&…

pytorch_sparse教程

pytorch_sparse教程 Coalesce torch_sparse.coalesce(index, value, m, n, op"add") -> (torch.LongTensor, torch.Tensor) 逐行排序index并删除重复项。通过将重复项映射到一起来删除重复项。对于映射,可以使用任何一种torch_scatter操作。 参数 i…

来回修改的投标文件怎么做版本管理?1个工具搞定!

投标是公司市场活动中非常重要的事情,每次投标文件的编写像打仗一样,要修改很多次,不保存每个版本就只能在需要的时候后悔,多个文件、多人编写、多种方案要再最后的几个小时才能定,每次都是弄得鸡飞狗跳的,…

Python卷积神经网络CNN

Python卷积神经网络CNN 提示:前言 Python卷积神经网络CNN 提示:写完文章后,目录可以自动生成,如何生成可参考右边的帮助文档 文章目录Python卷积神经网络CNN前言一、导入包二、介绍三、卷积过滤四、权重五、展示特征图六、用 ReLU…