进程上下文切换 – 残酷的性能杀手(上)

对于服务器的优化,很多人都有自己的经验和见解,但就我观察,有两点常常会被人忽视 – 上下文切换 和 Cache Line同步 问题,人们往往都会习惯性地把视线集中在尽力减少内存拷贝,减少IO次数这样的问题上,不可否认它们一样重要,但一个高性能服务器需要更细致地去考察这些问题,这个问题我将分成两篇文章来写:

1)从一些我们常用的用户空间函数,到linux内核代码的跟踪,来看一个上下文切换是如何产生的

2)从实际数据来看它对我们程序的影响

另外,关于Cache Line 的测试大家可移步 http://www.cppthinker.com/cpp/9/cpu_cache/

 

Context Switch简介 -

上下文切换(以下简称CS)的定义,http://www.linfo.org/context_switch.html 此文中已做了详细的说明,这里我又偷懒不详细解释了:)  只提炼以下几个关键要点:

*) context(这里我觉得叫process context更合适)是指CPU寄存器和程序计数器在任何时间点的内容

*)CS可以描述为kernel执行下面的操作

1. 挂起一个进程,并储存该进程当时在内存中所反映出的状态

2. 从内存中恢复下一个要执行的进程,恢复该进程原来的状态到寄存器,返回到其上次暂停的执行代码然后继续执行

*)CS只能发生在内核态(kernel mode)

*)system call会陷入内核态,是user mode => kernel mode的过程,我们称之为mode switch,但不表明会发生CS(其实mode switch同样也会做很多和CS一样的流程,例如通过寄存器传递user mode 和 kernel mode之间的一些参数)

*)一个硬件中断的产生,也可能导致kernel收到signal后进行CS

 

什么样的操作可能会引起CS -

首先我们一定是希望减少CS,那什么样的操作会发生CS呢?也许看了上面的介绍你还云里雾里?

首先,linux中一个进程的时间片到期,或是有更高优先级的进程抢占时,是会发生CS的,但这些都是我们应用开发者不可控的。那么我们不妨更多地从应用开发者(user space)的角度来看这个问题,我们的进程可以主动地向内核申请进行CS,而用户空间通常有两种手段能达到这一“目的”:

1)休眠当前进程/线程

2)唤醒其他进程/线程

pthread库中的pthread_cond_wait 和 pthread_cond_signal就是很好的例子(虽然是针对线程,但linux内核并不区分进程和线程,线程只是共享了address space和其他资源罢了),pthread_cond_wait负责将当前线程挂起并进入休眠,直到条件成立的那一刻,而pthread_cond_signal则是唤醒守候条件的线程。我们直接来看它们的代码吧

pthread_cond_wait.c

  1. int
  2. __pthread_cond_wait (cond, mutex)
  3.      pthread_cond_t *cond;
  4.      pthread_mutex_t *mutex;
  5. {
  6.   struct _pthread_cleanup_buffer buffer;
  7.   struct _condvar_cleanup_buffer cbuffer;
  8.   int err;
  9.   int pshared = (cond->__data.__mutex == (void *) ~0l)
  10.         ? LLL_SHARED : LLL_PRIVATE;
  11.   /* yunjie: 这里省略了部分代码 */
  12.   do
  13.     {
  14.         /* yunjie: 这里省略了部分代码 */
  15.       /* Wait until woken by signal or broadcast.  */
  16.       lll_futex_wait (&cond->__data.__futex, futex_val, pshared);
  17.         /* yunjie: 这里省略了部分代码 */
  18.       /* If a broadcast happened, we are done.  */
  19.       if (cbuffer.bc_seq != cond->__data.__broadcast_seq)
  20.     goto bc_out;
  21.       /* Check whether we are eligible for wakeup.  */
  22.       val = cond->__data.__wakeup_seq;
  23.     }
  24.   while (val == seq || cond->__data.__woken_seq == val);
  25.   /* Another thread woken up.  */
  26.   ++cond->__data.__woken_seq;
  27.  bc_out:
  28.     /* yunjie: 这里省略了部分代码 */
  29.   return __pthread_mutex_cond_lock (mutex);
  30. }

代码已经经过精简,但我们仍然直接把目光放到19行,lll_futex_wait,这是一个pthread内部宏,用处是调用系统调用sys_futex(futex是一种user mode和kernel mode混合mutex,这里不展开讲了),这个操作会将当前线程挂起休眠(马上我们将会到内核中一探究竟)

lll_futex_wait宏展开的全貌

  1. #define lll_futex_wake(futex, nr, private) 
  2.   do {                                        
  3.     int __ignore;                                 
  4.     register __typeof (nr) _nr __asm (“edx”) = (nr);                  
  5.     __asm __volatile (“syscall”                           
  6.               : ”=a” (__ignore)                       
  7.               : ”0″ (SYS_futex), ”D” (futex),                 
  8.             ”S” (__lll_private_flag (FUTEX_WAKE, private)),       
  9.             ”d” (_nr)                         
  10.               : ”memory”, ”cc”, ”r10″, ”r11″, ”cx”);              
  11.   } while (0)

可以看到,该宏的行为很简单,就是通过内嵌汇编的方式,快速调用syscall:SYS_futex,所以我们也不用再多费口舌,直接看kernel的实现吧

linux/kernel/futex.c

  1. SYSCALL_DEFINE6(futex, u32 __user *, uaddr, int, op, u32, val,
  2.         struct timespec __user *, utime, u32 __user *, uaddr2,
  3.         u32, val3)
  4. {
  5.     struct timespec ts;
  6.     ktime_t t, *tp = NULL;
  7.     u32 val2 = 0;
  8.     int cmd = op & FUTEX_CMD_MASK;
  9.     if (utime && (cmd == FUTEX_WAIT || cmd == FUTEX_LOCK_PI ||
  10.               cmd == FUTEX_WAIT_BITSET)) {
  11.         if (copy_from_user(&ts, utime, sizeof(ts)) != 0)
  12.             return -EFAULT;
  13.         if (!timespec_valid(&ts))
  14.             return -EINVAL;
  15.         t = timespec_to_ktime(ts);
  16.         if (cmd == FUTEX_WAIT)
  17.             t = ktime_add_safe(ktime_get(), t);
  18.         tp = &t;
  19.     }
  20.     /*
  21.      * requeue parameter in ’utime’ if cmd == FUTEX_REQUEUE.
  22.      * number of waiters to wake in ’utime’ if cmd == FUTEX_WAKE_OP.
  23.      */
  24.     if (cmd == FUTEX_REQUEUE || cmd == FUTEX_CMP_REQUEUE ||
  25.         cmd == FUTEX_WAKE_OP)
  26.         val2 = (u32) (unsigned long) utime;
  27.     return do_futex(uaddr, op, val, tp, uaddr2, val2, val3);
  28. }

linux 2.5内核以后都使用这种SYSCALL_DEFINE的方式来实现内核对应的syscall(我这里阅读的是inux-2.6.27.62内核), 略过一些条件检测和参数拷贝的代码,我们可以看到在函数最后调用了do_futex,由于这里内核会进行多个函数地跳转,我这里就不一一贴代码污染大家了

大致流程: pthread_cond_wait => sys_futex => do_futex => futex_wait (蓝色部分为内核调用流程)

futex_wait中的部分代码

  1. /* add_wait_queue is the barrier after __set_current_state. */
  2.     __set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
  3.     add_wait_queue(&q.waiters, &wait);
  4.     /*
  5.      * !plist_node_empty() is safe here without any lock.
  6.      * q.lock_ptr != 0 is not safe, because of ordering against wakeup.
  7.      */
  8.     if (likely(!plist_node_empty(&q.list))) {
  9.         if (!abs_time)
  10.             schedule();
  11.         else {
  12.             hrtimer_init_on_stack(&t.timer, CLOCK_MONOTONIC,
  13.                         HRTIMER_MODE_ABS);
  14.             hrtimer_init_sleeper(&t, current);
  15.             t.timer.expires = *abs_time;
  16.             hrtimer_start(&t.timer, t.timer.expires,
  17.                         HRTIMER_MODE_ABS);
  18.             if (!hrtimer_active(&t.timer))
  19.                 t.task = NULL;
  20.             /*
  21.              * the timer could have already expired, in which
  22.              * case current would be flagged for rescheduling.
  23.              * Don’t bother calling schedule.
  24.              */
  25.             if (likely(t.task))
  26.                 schedule();
  27.             hrtimer_cancel(&t.timer);
  28.             /* Flag if a timeout occured */
  29.             rem = (t.task == NULL);
  30.             destroy_hrtimer_on_stack(&t.timer);
  31.         }
  32.     }

以上是futex_wait的一部分代码,主要逻辑是将当前进程/线程的状态设为TASK_INTERRUPTIBLE(可被信号打断),然后将当前进程/线程加入到内核的wait队列(等待某种条件发生而暂时不会进行抢占的进程序列),之后会调用schedule,这是内核用于调度进程的函数,在其内部还会调用context_switch,在这里就不展开,但有一点可以肯定就是当前进程/线程会休眠,然后内核会调度器他还有时间片的进程/线程来抢占CPU,这样pthread_cond_wait就完成了一次CS

pthread_cond_signal的流程基本和pthread_cond_wait一致,这里都不再贴代码耽误时间

大致流程:pthread_cond_signal => SYS_futex => do_futex => futex_wake => wake_futex => __wake_up => __wake_up_common => try_to_wake_up (蓝色部分为内核调用流程)

try_to_wake_up()会设置一个need_resched标志,该标志标明内核是否需要重新执行一次调度,当syscall返回到user space或是中断返回时,内核会检查它,如果已被设置,内核会在继续执行之前调用调度程序,之后我们万能的schedule函数就会在wait_queue(还记得吗,我们调用pthread_cond_wait的线程还在里面呢)中去拿出进程并挑选一个让其抢占CPU,所以,根据我们跟踪的内核代码,pthread_cond_signal也会发生一次CS

 

本篇结束 -

会造成CS的函数远远不止这些,例如我们平时遇到mutex竞争,或是我们调用sleep时,都会发生,我们总是忽略了它的存在,但它却默默地扼杀着我们的程序性能(相信我,它比你想象中要更严重),在下一篇中我将以chaos库(我编写的一个开源网络库)中的一个多线程组件为例,给大家演示CS所带来的性能下降

希望对大家有帮助 :)

 

原文地址:http://www.cppthinker.com/linux/224/context_switch_1/

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