Linux-CPU优化之上下文切换

　　为什么大量进程(通常进程数大于CPU个数)的运行会导致CPU长时间处于等待时间而导致平均负债率过高呢？没有使用CPU且无不可中断的进程，这就涉及到了上下文切换。

　　巧妙地利用了时间片轮转的方式, CPU 给每个任务都服务一定的时间，然后把当前任务的状态保存下来，在加载下一任务的状态后，继续服务下一任务， 任务的状态保存及再加载, 这段过程就叫做上下文切换。

　　　　

　　Linux 是一个多任务操作系统，它支持远大于 CPU 数量的任务同时运行，这是通过频繁的上下文切换、将CPU轮流分配给不同任务从而实现的。即通过上下文切换实现CPU的时间分片：

　　CPU通过时间片分配算法来循环执行任务，当前任务执行一个时间片后会切换到下一个任务。但是，在切换前会保存上一个任务的状态，以便下次切换回这个任务时，可以再加载这个任务的状态。所以任务从保存到再加载的过程就是一次上下文切换。这就像我们同时读两本书，当我们在读一本英文的技术书时，发现某个单词不认识，于是便打开中英文字典，但是在放下英文技术书之前，大脑必须先记住这本书读到了多少页的第多少行，等查完单词之后，能够继续读这本书。这样的切换是会影响读书效率的，同样上下文切换也会影响多线程的执行速度。

　　什么是任务？

　　　　1、进程和线程是最常见的任务；
　　　　2、硬件通过触发信号，会导致中断处理程序的调用，也是一种常见的任务。
　　每个进程运行时，CPU都需要知道进程已经运行到了哪里以及当前的各种状态，因此系统事先设置好 CPU 寄存器和程序计数器。 CPU 上下文切换，就是先把前一个任务的 CPU 上下文（CPU 寄存器和程序计数器）保存起来，然后加新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器，最后再跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务，而保存下来的上下文，会存储在系统内核中，并在任务重新调度执行时再次加载进来。

　　每次上下文切换都需要几十纳秒到到微秒的CPU时间，因此如果进程上下文切换次数过多，就会导致 CPU 将大量时间耗费在寄存器、内核栈以及虚拟内存等资源的保存和恢复上，进而大大缩短了真正运行进程的时间，实际上有效的CPU运行时间大大减少(可以认为上下文切换对用户来说是在做无用功)。

　　那么上下文切换的时机有哪些：

　　　　1、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，就需要进行上下文切换；

　　　　2、进程在系统资源不足，会在获取到足够资源之前进程挂起；

　　　　3、进程通过sleep函数将自己挂起；

　　　　4、当有优先级更高的进程运行时，为了保证高优先级进程的运行，当前进程会被挂起，由高优先级进程来运行,也就是被抢占；
　　　　5、当发生硬件中断时，CPU 上的进程会被中断挂起，转而执行内核中的中断服务程序。

　　根据任务，可以将上下文切换分为：1）进程上下文切换(只有在进程调度时才需要切换上下文；2）线程上下文切换；3）中断上下文切换。

　　如何查看CPU上下文切换情况，使用vmstat工具。

　　　　

　　　　

　　vmstat 只给出了系统总体的上下文切换情况，要想查看每个进程的详细情况，就需要使用我们前面提到过的 pidstat了。给它加上 -w 选项，你就可以查看每个进程上下文切换的情况了：pidstat -w 5 1

　　　　

　　上图中，可以看到stress命令导致的非自愿上下文切换。