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在进程A切换到进程B的过程中，先保存A进程的高下文，以便于等A规复运行的时候，能够知道A进程的下一条指令是啥。然后将要运行的B进程的高下文规复到寄存器中。这个过程被称为高下文切换。高下文切换开销在进程不多、切换不频繁的运用处景下问题不大。但是现在Linux操作系统被用到了高并发的网络程序后端做事器。在单机支持成千上万个用户要求的时候，这个开销就得拿出来说道说道了。由于用户进程在要求Redis、Mysql数据等网络IO壅塞掉的时候，或者在进程韶光片到了，都会引发高下文切换。
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一个大略的进程高下文切换开销测尝尝验
废话不多说，我们先用个实验测试一下，到底一次高下文切换须要多长的CPU韶光！
实验方法是创建两个进程并在它们之间传送一个令牌。个中一个进程在读取令牌时就会引起壅塞。另一个进程发送令牌后等待其返回时也处于壅塞状态。如此来回传送一定的次数，然后统计他们的均匀单次切换韶光开销。
详细的实验代码拜会test04
# gcc main.c -o main# ./main./mainBefore Context Switch Time1565352257 s, 774767 usAfter Context SWitch Time1565352257 s, 842852 us
每次实行的韶光会有差异，多次运行后均匀每次高下文切换耗时3.5us旁边。当然了这个数字因机器而异，而且建议在实机上测试。
前面我们测试系统调用的时候，最低值是200ns。可见，高下文切换开销要比系统调用的开销要大。系统调用只是在进程内将用户态切换到内核态，然后再切回来，而高下文切换可是直接从进程A切换到了进程B。显然这个高下文切换须要完成的事情量更大。
进程高下文切换开销都有哪些
那么高下文切换的时候，CPU的开销都详细有哪些呢？开销分成两种，一种是直接开销、一种是间接开销。
直接开销便是在切换时，cpu必须做的事情，包括：
1、切换页表全局目录2、切换内核态堆栈3、切换硬件高下文（进程规复前，必须装入寄存器的数据统称为硬件高下文）ip(instruction pointer)：指向当前实行指令的下一条指令bp(base pointer): 用于存放实行中的函数对应的栈帧的栈底地址sp(stack poinger): 用于存放实行中的函数对应的栈帧的栈顶地址cr3:页目录基址寄存器，保存页目录表的物理地址......4、刷新TLB5、系统调度器的代码实行间接开销紧张指的是虽然切换到一个新进程后，由于各种缓存并不热，速率运行会慢一些。如果进程始终都在一个CPU上调度还好一些，如果跨CPU的话，之前热起来的TLB、L1、L2、L3由于运行的进程已经变了，以是以局部性事理cache起来的代码、数据也都没有用了，导致新进程穿透到内存的IO会变多。 实在我们上面的实验并没有很好地丈量到这种情形，以是实际的高下文切换开销可能比3.5us要大。
想理解更详细操作过程的同学请参考《深入理解Linux内核》中的第三章和第九章。
一个更为专业的测试工具-lmbench
lmbench用于评价系统综合性能的多平台开源benchmark，能够测试包括文档读写、内存操作、进程创建销毁开销、网络等性能。利用方法大略，但便是跑有点慢，感兴趣的同学可以自己试一试。
这个工具的上风是是进行了多组实验，每组2个进程、8个、16个。每个进程利用的数据大小也在变，充分仿照cache miss造成的影响。我用他测了一下结果如下：
-------------------------------------------------------------------------Host OS 2p/0K 2p/16K 2p/64K 8p/16K 8p/64K 16p/16K 16p/64K ctxsw ctxsw ctxsw ctxsw ctxsw ctxsw ctxsw --------- ------------- ------ ------ ------ ------ ------ ------- ------- bjzw_46_7 Linux 2.6.32- 2.7800 2.7800 2.7000 4.3800 4.0400 4.75000 5.48000
lmbench显示的进程高下文切换耗时从2.7us到5.48之间。
线程高下文切换耗时
前面我们测试了进程高下文切换的开销，我们再连续在Linux测试一下线程。看看究竟比进程能不能快一些，快的话能快多少。
在Linux下实在本并没有线程，只是为了迎合开拓者口味，搞了个轻量级进程出来就叫做了线程。轻量级进程和进程一样，都有自己独立的task_struct进程描述符，也都有自己独立的pid。从操作系统视角看，调度上和进程没有什么差异，都是在等待行列步队的双向链表里选择一个task_struct切到运行态而已。只不过轻量级进程和普通进程的差异是可以共享同一内存地址空间、代码段、全局变量、同一打开文件凑集而已。
同一进程下的线程之所有getpid()看到的pid是一样的，实在task_struct里还有一个tgid字段。 对付多线程程序来说，getpid()系统调用获取的实际上是这个tgid，因此从属同一进程的多线程看起来PID相同。
我们用一个实验来测试一下test06。其事理和进程测试差不多，创建了20个线程，在线程之间通过管道来通报旗子暗记。接到旗子暗记就唤醒，然后再通报旗子暗记给下一个线程，自己就寝。 这个实验里单独考虑了给管道通报旗子暗记的额外开销，并在第一步就统计了出来。
# gcc -lpthread main.c -o main0.508250 4.363495
每次实验结果会有一些差异，上面的结果是取了多次的结果之后然后均匀的，大约每次线程切换开销大约是3.8us旁边。从高下文切换的耗时上来看，Linux线程（轻量级进程）实在和进程差别不太大。
Linux干系命令
既然我们知道了高下文切换比较的花费CPU韶光，那么我们通过什么工具可以查看一下Linux里究竟在发生多少切换呢？如果高下文切换已经影响到了系统整体性能，我们有没有办法把有问题的进程揪出来，并把它优化掉呢？
# vmstat 1 procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- --system-- -----cpu----- r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st 2 0 0 595504 5724 190884 0 0 295 297 0 0 14 6 75 0 4 5 0 0 593016 5732 193288 0 0 0 92 19889 29104 20 6 67 0 7 3 0 0 591292 5732 195476 0 0 0 0 20151 28487 20 6 66 0 8 4 0 0 589296 5732 196800 0 0 116 384 19326 27693 20 7 67 0 7 4 0 0 586956 5740 199496 0 0 216 24 18321 24018 22 8 62 0 8
或者是
# sar -w 1 proc/s Total number of tasks created per second. cswch/s Total number of context switches per second. 11:19:20 AM proc/s cswch/s 11:19:21 AM 110.28 23468.22 11:19:22 AM 128.85 33910.58 11:19:23 AM 47.52 40733.66 11:19:24 AM 35.85 30972.64 11:19:25 AM 47.62 24951.43 11:19:26 AM 47.52 42950.50 ......
上图的环境是一台生产环境机器，配置是8核8G的KVM虚机，环境是在nginx+fpm的，fpm数量为1000，均匀每秒处理的用户接口要求大约100旁边。个中cs列表示的便是在1s内系统发生的高下文切换次数，大约1s切换次数都达到4W次了。粗略估算一下，每核大约每秒须要切换5K次，则1s内须要花将近20ms在高下文切换上。要知道这是虚机，本身在虚拟化上还会有一些额外开销，而且还要真正花费CPU在用户接口逻辑处理、系统调用内核逻辑处理、以及网络连接的处理以及软中断，以是20ms的开销实际上不低了。
那么进一步，我们看下到底是哪些进程导致了频繁的高下文切换？
# pidstat -w 1 11:07:56 AM PID cswch/s nvcswch/s Command11:07:56 AM 32316 4.00 0.00 php-fpm 11:07:56 AM 32508 160.00 34.00 php-fpm 11:07:56 AM 32726 131.00 8.00 php-fpm ......
由于fpm是同步壅塞的模式，每当要求Redis、Memcache、Mysql的时候就会壅塞导致cswch/s志愿高下文切换，而只有韶光片到了之后才会触发nvcswch/s非志愿切换。可见fpm进程大部分的切换都是志愿的、非志愿的比较少。
如果想查看详细某个进程的高下文切换总情形，可以在/proc接口下直接看，不过这个是总值。
grep ctxt /proc/32583/status voluntary_ctxt_switches: 573066 nonvoluntary_ctxt_switches: 89260
本节结论
高下文切换详细做哪些事情我们没有必要记，只须要记住一个结论既可，测得作者开拓机高下文切换的开销大约是2.7-5.48us旁边，你自己的机器可以用我供应的代码或工具进行一番测试。
lmbench相对更准确一些，由于考虑了切换后Cache miss导致的额外开销。
个人"大众年夜众号“开拓内功修炼”，打通理论与实践的任督二脉。
参考文献
进程高下文切换，残酷的性能杀手测试高下文切换开销进程高下文切换导致Load过高CPU高下文切换的次数和韶光Linux操作系统测试工具lmbench官方文档lmbench安装与利用
