Linux性能优化实战学习笔记：第三讲

一、关于上下文切换的几个为什么

1、 上下文切换是什么？

上下文切换是对任务当前运行状态的暂存和恢复

2、 CPU为什么要进行上下文切换？

当多个进程竞争CPU的时候，CPU为了保证每个进程能公平被调度运行，采取了处理任务时间分片的机制，
轮流处理多个进程，由于CPU处理速度非常快，在人类的感官上认为是并行处理，实际是"伪"并行，
同一时间只有一个任务在运行处理。

3、 上下文切换主要消耗什么资源，为什么说上下文切换次数过多不可取？

根据 Tsuna 的测试报告，每次上下文切换都需要几十纳秒到到微秒的CPU时间，这些时间对CPU来说，
就好比人类对1分钟或10分钟的感觉概念。在分秒必争的计算机处理环境下，浪费太多时间在切换上，
只能会降低真正处理任务的时间，表象上导致延时、排队、卡顿现象发生。

4、 上下文切换分几种？

进程上下文切换、线程上下文切换、中断上下文切换

5、 什么情况下会触发上下文切换？

系统调用、进程状态转换(运行、就绪、阻塞)、时间片耗尽、系统资源不足、sleep、优先级调度、硬件中断等

6、 线程上下文切换和进程上下文切换的最大区别？

线程是调度的基本单位，进程是资源拥有的基本单位，同属一个进程的线程，发生上下文切换，

只切换线程的私有数据，共享数据不变，因此速度非常快。

7、 有哪些减少上下文切换的技术用例？

数据库连接池（复用连接）、合理设置应用的最大进程，线程数、直接内存访问DMA、零拷贝技术

二、上下文切换过程详解

1、进程上下文切换过程

(1)进程运行态为内核运行态和进程运行态。内核空间态资源包括内核的堆栈、寄存器等；用户空间态资源包括虚拟内存、栈、变量、正文、数据等

(2)系统调用(软中断)在内核态完成的，需要进行2次CPU上下文切换(用户空间-->内核空间-->用户空间)，不涉及用户态资源，也不会切换进程。

(3)进程是由内核来管理和调度的，进程的切换只能发生在内核态。所以，进程的上下文不仅包括了用户空间的资源，也包括内核空间资源。

(4)进程的上下文切换过程：

(a)接收到切换信号，挂起进程，记录当前进程的虚拟内存、栈等资源存储;
(b)将这个进程在 CPU 中的上下文状态存储于起来;
(c)然后在内存中检索下一个进程的上下文;
(d)并将其加载到 CPU的寄存器中恢复;

　　(e)还需要刷新进程的虚拟内存和用户栈;

　　(f)最后跳转到程序计数器所指向的位置（即跳转到进程被中断时的代码行），以恢复该进程。

(5)、下列将会触发进程上下文切换的场景：

(a)、根据调度策略，将CPU时间划片为对应的时间片，当时间片耗尽，当前进程必须挂起。
(b)、资源不足的，在获取到足够资源之前进程挂起。
(c)、进程sleep挂起进程。
(d)、高优先级进程导致当前进度挂起
(e)、硬件中断，导致当前进程挂起

2、线程上下文切换的 过程

(1)、不同进程之间的线程上下文切换，其过程和进程上下文切换大致相同。
(2)、线程内部的线程进上下文切换。不需要切换进程的用户资源，只需要切换线程私有的数据和寄存器等。
这会比进程上下文进程切换消耗的资源少，所以多线程相比多进程的优势。

3、 中断上下文切换，如何理解？

为了快速响应硬件的事件(如USB接入)，中断处理会打断进程的正常调度和执行，转而调用中断处理程序，

响应设备事件。而打断其它进程执行时，需要进行上下文切换。中断事件过多，会无谓的消耗CPU资源，导致进程处理时间延长。

对于一个CPU来说，中断处理比进程拥有更高的优先级

三、课后思考题

1、题目

最后，我想邀请你一起来聊聊，你所理解的CPU上下文切换，你可以结合今天的内容，总结自己的思路和看法，写下你的学习心得

2、经典留言

进程切换我想到了很多年前在银行柜台办理业务的情形。
1：银行分配各个窗口给来办理业务的人
2：如果只有1个窗口开放（系统资源不足），大部分都得等
3：如果正在办理业务的突然说自己不办了（sleep）,那他就去旁边再想想（等）
4：如果突然来了个VIP客户，可以强行插队
5：如果突然断电了（中断），都得等。。