进程/线程上下文切换会用掉你多少CPU？ _线程

进程是操作系统的伟大发明之一，对应用程序屏蔽了CPU调度、内存管理等硬件细节，而抽象出一个进程的概念，让应用程序专心于实现自己的业务逻辑既可，而且在有限的CPU上可以“同时”进行许多个任务。但是它为用户带来方便的同时，也引入了一些额外的开销。如下图，在进程运行中间的时间里，虽然CPU也在忙于干活，但是却没有完成任何的用户工作，这就是进程机制带来的额外开销。

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在进程A切换到进程B的过程中，先保存A进程的上下文，以便于等A恢复运行的时候，能够知道A进程的下一条指令是啥。然后将要运行的B进程的上下文恢复到寄存器中。这个过程被称为上下文切换。上下文切换开销在进程不多、切换不频繁的应用场景下问题不大。但是现在linux操作系统被用到了高并发的网络程序后端服务器。在单机支持成千上万个用户请求的时候，这个开销就得拿出来说道说道了。因为用户进程在请求redis、MySQL数据等网络IO阻塞掉的时候，或者在进程时间片到了，都会引发上下文切换。

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一个简单的进程上下文切换开销测试实验
废话不多说，我们先用个实验测试一下，到底一次上下文切换需要多长的CPU时间！实验方法是创建两个进程并在它们之间传送一个令牌。其中一个进程在读取令牌时就会引起阻塞。另一个进程发送令牌后等待其返回时也处于阻塞状态。如此往返传送一定的次数，然后统计他们的平均单次切换时间开销。
具体的实验代码参见test04
# gcc main.c -o main# ./main./mainBefore Context Switch Time1565352257 s, 774767 usAfter Context SWitch Time1565352257 s, 842852 us每次执行的时间会有差异，多次运行后平均每次上下文切换耗时3.5us左右。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，上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，而上下文切换可是直接从进程A切换到了进程B 。显然这个上下文切换需要完成的工作量更大。
进程上下文切换开销都有哪些
那么上下文切换的时候，CPU的开销都具体有哪些呢？开销分成两种，一种是直接开销、一种是间接开销。
直接开销就是在切换时，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、切换硬件上下文（进程恢复前，必须装入寄存器的数据统称为硬件上下文）
ip(instruction pointer)：指向当前执行指令的下一条指令
bp(base pointer): 用于存放执行中的函数对应的栈帧的栈底地址
sp(stack poinger): 用于存放执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TLB
5、系统调度器的代码执行

间接开销主要指的是虽然切换到一个新进程后，由于各种缓存并不热，速度运行会慢一些。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因为运行的进程已经变了，所以以局部性原理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。其实我们上面的实验并没有很好地测量到这种情况，所以实际的上下文切换开销可能比3.5us要大。
想了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。使用方法简单，但就是跑有点慢，感兴趣的同学可以自己试一试。
这个工具的优势是是进行了多组实验，每组2个进程、8个、16个。每个进程使用的数据大小也在变，充分模拟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/64Kctxsw 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显示的进程上下文切换耗时从2.7us到5.48之间。