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聊聊Linux中CPU上下文切换( 四 )

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对同一个 CPU 来说，中断处理比进程拥有更高的优先级，所以中断上下文切换不会与进程上下文切换同时发生 。并且，由于中断会打断正常进程的调度和执行，所以大部分中断处理程序都短小精悍，以便可以尽快完成 。
上下文切换的消耗保存上下文和恢复上下文的过程并不是免费的，需要内核在 CPU 上运行才能完成 。据测试，每次上下文切换都需要几十纳秒到数微妙的 CPU 时间 。特别是在进程上下文切换次数较多的情况下，很容易导致 CPU 将大量时间消耗在寄存器、内核栈、虚拟内存等资源的保存和恢复上，从而大大缩短了真正运行进程的时间 。
Linux相比与其他操作系统（包括其他类 Unix 系统）有很多的优点，其中有一项就是，其上下文切换和模式切换的时间消耗非常少 。Linux 通过 TLB 来管理虚拟内存到物理内存的映射关系 。当虚拟内存更新后，TLB 也需要刷新，内存的访问也会随之变慢 。特别是多处理器系统上，缓存是被多个处理器共享的，刷新缓存不仅会影响当前处理器的进程，还会影响共享缓存的其它处理器的进程 。所以过多的上下文切换对系统来说意味着会消耗大量的 CPU 时间 。
根据Tsuna的测试报告，每次上下文切换都需要几十纳秒到数微妙的CPU时间，这个时间还是相当可观的 。不管是哪种场景导致的上下文切换，你都应该知道：

  1. CPU上下文切换，是保证Linux系统正常工作的核心功能，一般情况下不需要开发人员特别关注 。
  2. 但过多的上下文切换，会把CPU时间消耗在寄存器、内核栈以及虚拟内存等数据的保存和恢复上，从而缩短进程真正运行的时间，耗费大量的 CPU，甚至严重降低系统的整体性能 。
补充：vmstat命令查看整体CPU上下文切换情况上面已经介绍到CPU上下文切换分为进程上下文切换、线程上下文切换、中断上下文切换，那么过多的上下文切换会把CPU的时间消耗在寄存器、内核栈以及虚拟内存等数据的保存和恢复上，缩短进程真正运行的时间，成为系统性能大幅下降的一个因素所以我们可以使用vmstat这个工具来查询系统的上下文切换情况，vmstat是一个常用的系统性能分析工具，可以用来分析CPU上下文切换和中断的次数执行如下的命令：vmstat 5 （每隔5s输出一组数据）
聊聊Linux中CPU上下文切换

文章插图
该命令输出信息中，各个字段以及含义：procs：procs 中有 r 和 b 列，它报告进程统计信息 。在上面的输出中，在运行队列（r）中有两个进程在等待 CPU 并有零个休眠进程（b） 。通常，它不应该超过处理器（或核心）的数量，如果你发现异常，最好使用 top 命令进一步地排除故障 。
  • r：等待运行的进程数 。
  • b：休眠状态下的进程数 。
memory： memory 下有报告内存统计的 swpd、free、buff 和 cache 列 。你可以用 free -m 命令看到同样的信息 。在上面的内存统计中，统计数据以千字节表示，这有点难以理解，最好添加 M 参数来看到以兆字节为单位的统计数据 。
  • swpd：使用的虚拟内存量 。
  • free：空闲内存量 。
  • buff：用作缓冲区的内存量 。
  • cache：用作高速缓存的内存量 。
  • inact：非活动内存的数量 。
  • active：活动内存量 。
swap：swap 有 si 和 so 列，用于报告交换内存统计信息 。你可以用 free -m 命令看到相同的信息 。

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