• نتورکفا
• 16 می 2025
• آموزش

Context Switching در CPU چیست؟ راهنمای کامل برای بهینه‌سازی عملکرد سرور

Context Switching در CPU چیست؟ چرا باید آن را جدی بگیریم؟

در دنیای پردازش و سیستم‌عامل‌ها، یکی از مفاهیم کلیدی که تاثیر زیادی بر عملکرد سیستم دارد، Context Switching یا «تعویض زمینه» است. این فرآیند یکی از عوامل اصلی در کاهش کارایی در سیستم‌های بار بالا، سرورهای حساس به تأخیر، و محیط‌های real-time به شمار می‌رود.

در این مقاله، به طور کامل به معرفی Context Switching در CPU، چگونگی عملکرد آن، دلایل بروز، تأثیر آن بر عملکرد سیستم، و روش‌های کاهش آن می‌پردازیم.

Context Switching چیست؟

Context Switching زمانی اتفاق می‌افتد که پردازنده (CPU) از اجرای یک پردازش یا رشته (thread) به اجرای پردازشی دیگر منتقل می‌شود. در این لحظه، سیستم‌عامل باید وضعیت (context) پردازش فعلی را ذخیره کرده و وضعیت پردازش جدید را بارگذاری کند.

این context شامل موارد زیر است:

• مقادیر رجیسترها
• شمارنده برنامه (Program Counter)
• اطلاعات حافظه مجازی (مثل page table)
• Cache و TLB (که در اثر سوییچ، invalidate می‌شوند)

چرا Context Switching مهم است؟

تعویض زمینه برای پشتیبانی از چندوظیفگی (multitasking) ضروری است، اما هزینه‌هایی نیز دارد:

• مصرف پردازشی زیاد برای ذخیره و بازیابی وضعیت پردازش‌ها
• کاهش کارایی کش به دلیل از بین رفتن داده‌های مرتبط
• افزایش تأخیر در پاسخ‌دهی اپلیکیشن‌های real-time

چه عواملی باعث Context Switching می‌شوند؟

• Preemption: پیش‌دستی زمان‌بندی
• Interrupts: وقفه‌های سخت‌افزاری (مثل I/O، تایمر)
• System Calls: تماس‌های سیستمی به کرنل
• Synchronization: استفاده از mutex، semaphore و غیره

تأثیر Context Switching در سرورها

در سرورهای حساس به کارایی مانند سرورهای اختصاصی، سیستم‌های مالی، یا دیتاپلین‌های شبکه‌ای، کاهش حتی چند میکروثانیه از latency بسیار مهم است. Context Switching در این محیط‌ها می‌تواند باعث:

• افزایش تاخیر پردازش پکت‌ها
• کاهش throughput سیستم
• برهم‌زدن پیش‌بینی‌پذیری در سیستم‌های real-time

چگونه Context Switching را کاهش دهیم؟

در ادامه چند روش کاربردی برای کاهش context switching معرفی می‌شود:

۱. استفاده از CPU Affinity

با CPU Pinning، می‌توانید threadها را به یک core خاص محدود کنید. این کار باعث می‌شود thread روی همان core باقی بماند و از migration جلوگیری شود.

ابزارها:

• taskset
• numactl
• pthread_setaffinity_np()

۲. استفاده از isolcpus و nohz_full

با پارامترهای کرنل، می‌توانید CPUهایی را از scheduler لینوکس جدا کنید و وقفه‌های سیستم را نیز از آن‌ها دور نگه دارید.

isolcpus=2,3 nohz_full=2,3 rcu_nocbs=2,3

۳. تنظیم Interrupt Affinity

می‌توانید IRQها را به هسته‌های خاص CPU اختصاص دهید تا تداخل با threadهای اصلی کاهش یابد.

/proc/irq/<IRQ>/smp_affinity

۴. استفاده از سیاست زمان‌بندی real-time

سیاست‌های زمان‌بندی مانند SCHED_FIFO یا SCHED_RR برای اجرای قابل پیش‌بینی threadها در سیستم‌های real-time ضروری‌اند.

Context Switching در سرورهای تک‌سوکت و چندسوکت

در سرورهای تک‌سوکت (Single-Socket)، همه هسته‌ها به حافظه یکسانی دسترسی دارند، اما در سرورهای چندسوکت (Multi-Socket) معماری NUMA وجود دارد که باعث افزایش latency در صورت مهاجرت thread بین سوکت‌ها می‌شود.

ابزارهای توصیه‌شده:

• numactl
• hwloc

ابزارهای تحلیل Context Switching

• vmstat
• htop
• perf sched
• pidstat -w
• ftrace

نتیجه‌گیری

Context Switching یکی از چالش‌های پنهان اما پرهزینه در عملکرد سیستم است. با تنظیم صحیح، می‌توان تأثیر آن را کاهش داده و سیستم‌های پایدارتر و سریع‌تری ساخت.

context switching, latency پایین, real-time kernel, بهینه‌سازی سرور, سرور اختصاصی, لینوکس