做境外旅游的网站,温州建筑信息平台,南通专业网站制作,自己如何建设个网站相信不少小伙伴面试时#xff0c;都被问到过这样一个问题#xff1a;进程和线程的区别是什么#xff1f;大学老师会告诉我们#xff1a;进程是资源分配的基本单位#xff0c;线程是调度的基本单位。说到调度#xff0c;就不得不提到CPU的上下文切换了。 何为CPU上下文切换…        相信不少小伙伴面试时都被问到过这样一个问题进程和线程的区别是什么大学老师会告诉我们进程是资源分配的基本单位线程是调度的基本单位。说到调度就不得不提到CPU的上下文切换了。 何为CPU上下文切换 “CPU上下文切换这是个啥呢” “唔我来告诉你吧。。在多猫系统中上下文切换时很常见的事情。。。饭盆的个数是有限的一只猫一天的猫粮也是有数的。有的猫吃了一半的猫粮要把它剩下的猫粮暂存起来把饭盆里的猫粮切换为另一只猫的” “类似地这个玩意放在计算机里面也是一样的” 在多任务操作系统中CPU需要在不同的进程或线程之间切换以实现并发执行。每个进程或线程都有自己的上下文CPU寄存器状态。 CPU 寄存器是 CPU 内置的容量小、但速度极快的存储。比如         程序计数器Program CounterPC也称为指令计数器通常是放在CPU内部的一个特殊寄存器中的。程序计数器的主要作用是存储下一条要执行的指令的地址。当CPU执行指令时程序计数器会更新为下一条指令的地址确保CPU能够按顺序执行程序中的指令。         页表的起始地址每个进程都有自己的虚拟内存在内核中需要通过页表来映射虚拟内存到物理内存页表的起始地址一般存放在页表基址寄存器。 这些寄存器状态它们所维护的环境都是 CPU 在运行任何任务前必须的依赖环境因此也被叫做 CPU 上下文。当操作系统决定从当前执行的任务切换到另一个任务时它需要保存当前任务的上下文并加载新任务的上下文这个过程就是上下文切换。 上下文切换的种类 “寄存器不是极快吗怎么老是听说上下文切换开销很大” 前面说了CPU保存旧任务的上下文切换新任务的上下文然后开始执行新任务。那切换从任务角度来讲有这么几种 进程上下文切换 众所周知进程由内核来管理和调度每个进程有自己的时间片时间片耗尽进程还没有结束就会被内核调度出去重新排队等待转而切换一个新的已就绪进程开始执行。这个过程就需要进行进程上下文切换。 都知道虚拟内存需要通过页表转换为物理内存由于多级页表多次访问内存效率太低增加了快表(TLB)大大提升了地址转换的效率。由于进程切换新老进程的页表肯定是不一样的这就会导致快表失效继而新的进程要将虚拟地址转换到物理地址无法使用快表缓存。所以进程上下文切换开销是比较大的。 线程上下文切换 大学老师提醒过我们了线程是调度的基本单位而进程则是资源分配的基本单位。说白了所谓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进程栈等资源。同一个进程的不同线程共享了进程ID、打开的文件描述符、根目录等等资源。 那么理所应当的同一个进程的不同线程间的上下文切换开销较小因为部分资源是共享的。当然开销还是有一定开销的比如线程有自己的私有的线程栈、线程ID、程序计数器等资源。 至于不同进程的线程的切换其实就是前面说的进程上下文切换。 中断上下文切换 中断是硬件设备用来通知 CPU 需要处理某些事件的机制。当硬件设备如网络卡、硬盘、鼠标或键盘等需要 CPU 注意时它们会发送一个中断信号。CPU 响应这个信号并执行相应的中断服务例程ISR来处理事件。 如果你打开了一个文本编辑器输入了一个字符‘a’键盘控制器会向 CPU 发送一个中断信号。CPU 接收到中断信号后会停止执行当前正在执行的任务并跳转到键盘中断处理程序。键盘中断处理程序会读取键盘控制器中的数据并根据这些数据来确定用户按下了哪个键。然后键盘中断处理程序会将这个信息传递给用户程序用户程序就会显示你插入了一个‘a’。 在这个过程中中断处理打断了进程的正常调度和执行顺序转而调用中断处理程序响应来自键盘的设备事件。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。 跟进程上下文不同中断上下文切换并不涉及到进程用户态资源的访问。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进程栈等用户态资源。中断上下文其实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、硬件中断参数等等。 上下文切换过多的问题 上下文切换虽然是操作系统设计中的必要机制但是过多的上下文切换会导致CPU花费大量时间在任务切换上而不是任务执行上从而降低系统的整体性能。这种情况通常发生在以下几种情况 系统中运行了过多的进程或线程。高频率的IO操作导致频繁的中断。锁竞争激烈导致线程频繁地进入和退出临界区。 排查上下文切换过多的问题 当我们怀疑系统性能下降可能是由于上下文切换过多时可以通过以下方法进行排查 vmstat命令 vmstat用来查看关于系统的虚拟内存、进程、CPU活动以及IO统计的信息。vmstat提供了关于系统性能的即时报告帮助管理员理解系统的内存使用情况、进程状态、系统等待队列以及磁盘IO和CPU使用情况。vmstat的输出通常包含以下几个部分 procs进程     r等待运行的进程数。     b处于不可中断睡眠状态的进程数。 memory内存     swpd虚拟内存使用量。     free空闲内存量。     buff用作缓冲的内存量。     cache用作缓存的内存量。 swap交换空间     si每秒从交换空间读入内存的量。     so每秒写入交换空间的内存量。 io输入/输出     bi每秒读取的块数。     bo每秒写入的块数。 system系统     in每秒中断次数包括时钟中断。     cs每秒上下文切换次数。 cpu处理器     us用户空间占用CPU的百分比。     sy内核空间占用CPU的百分比。     id空闲CPU百分比。     wa等待IO的CPU时间百分比。     st被偷取的时间百分比在虚拟化环境中其他虚拟机占用的CPU时间。 每2秒输出一次报告共输出3次 ps通过命令模拟了多线程并发场景sysbench --threads10 --max-time300 threads run rootgl:/home/gl# vmstat 2 3 procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st6 0 0 1250924 48464 600112 0 0 17 10 195 972 0 1 99 0 05 0 0 1250924 48464 600112 0 0 0 0 16138 743482 23 72 5 0 05 0 0 1250924 48464 600112 0 0 0 0 15653 737597 22 71 7 0 0 vmstat第一行的输出表示的是自系统启动以来的平均负载后面的行才表示当前间隔时间内的状态。从上面的数据可以看出来自启动启动以来(cs)平均上下文切换、(in)每秒中断次数都比较低。但是当前时间下cs和in突发性的增大了好几个数量级 前面说了引发上下文切换过多可能的原因大致有三种线程/进程太多、io频繁、锁频繁。接下来进一步再通过pidstat分析一下是哪种原因。 pidstat pidstat是一个监控个别任务的性能的工具可以用来查看特定进程的上下文切换情况。运行看下输出 rootgl:/home/gl# pidstat -wt 1 Linux 4.15.0-213-generic (gl) 01/17/2024 _x86_64_ (2 CPU)06:49:41 AM UID TGID TID cswch/s nvcswch/s Command 06:49:42 AM 0 7 - 2.83 0.00 ksoftirqd/0 06:49:42 AM 0 - 7 2.83 0.00 |__ksoftirqd/0 06:49:42 AM 0 8 - 28.30 0.00 rcu_sched 06:49:42 AM 0 - 8 28.30 0.00 |__rcu_sched 06:49:42 AM 0 123 - 0.94 0.00 kworker/1:2 06:49:42 AM 0 - 123 0.94 0.00 |__kworker/1:2 ... 06:49:42 AM 0 10180 10181 7343.40 69718.87 (sysbench)__sysbench 06:49:42 AM 0 - 10182 8820.75 60550.00 |__sysbench 06:49:42 AM 0 - 10183 7120.75 66724.53 |__sysbench 06:49:42 AM 0 - 10184 5205.66 65349.06 |__sysbench 06:49:42 AM 0 - 10185 8678.30 65187.74 |__sysbench 06:49:42 AM 0 - 10186 8339.62 66105.66 |__sysbench 06:49:42 AM 0 - 10187 6755.66 55736.79 |__sysbench 06:49:42 AM 0 - 10188 6559.43 62579.25 |__sysbench 06:49:42 AM 0 - 10189 7974.53 61872.64 |__sysbench 06:49:42 AM 0 - 10190 5702.83 64549.06 |__sysbench 06:49:42 AM 0 10192 - 0.94 0.94 pidstat 06:49:42 AM 0 - 10192 0.94 0.94 |__pidstat 其中有两列可以重点关注一下 cswch/s表示每秒自愿上下文切换voluntary context switches的次数。nvcswch/s表示每秒非自愿上下文切换non voluntary context switches的次数。 所谓自愿上下文切换是指进程所需资源尚未就绪导致的上下文切换。比如说 内存、IO、锁等系统资源不足或者时就会发生自愿上下文切换。而非自愿上下文切换则是指进程由于时间片已到等原因被系统强制调度导致的上下文切换。比如说大量进程都在就绪队列等待就容易发生非自愿上下文切换。 可以看到sysbench这个程序有多个子线程存在大量的上下文切换尤其以非自愿上下文切换为多。此时可以合理怀疑是由于sysbench线程数太多导致cpu上下文频繁切换引起的系统卡顿。  再回到vmstat的输出不仅(cs)切换次数高(in)中断数也高所以此时也不能断定就是线程数太多导致的因为也可能是某种中断次数太多导致中断上下文切换频繁 /proc/interrupts /proc/interrupts 是 Linux 系统中的一个特殊文件它提供了关于 CPU 中断的实时信息。这个文件包含了系统中每个中断请求IRQ的统计数据包括每个中断的编号、类型、设备名称以及每个 CPU 上的中断计数。 rootgl:/home/gl# cat /proc/interrupts CPU0 CPU1 ... NMI: 0 0 Non-maskable interrupts LOC: 293139 729565 Local timer interrupts SPU: 0 0 Spurious interrupts PMI: 0 0 Performance monitoring interrupts IWI: 0 0 IRQ work interrupts RTR: 0 0 APIC ICR read retries RES: 2889219 2818044 Rescheduling interrupts CAL: 7324 1630 Function call interrupts TLB: 17 38 TLB shootdowns TRM: 0 0 Thermal event interrupts THR: 0 0 Threshold APIC interrupts DFR: 0 0 Deferred Error APIC interrupts ... 多输出几次就可以发现其中增长比较明显的是Rescheduling interrupts。从字面意思也可以看出来这个中断表示重调度中断也就是cpu调度任务触发的中断。 “这下可以石锤了还说不是你” sysbench