2、CPU上下文切换

1、什么是CPU上下文

现阶段操作系统可同时执行多个任务，但这些任务并不是同时执行，系统在很短的时间内将cpu轮流分配给每个任务，由于任务轮流执行依赖于cpu寄存器和程序计数器，通过它们暂存指令，数据和地址，以及程序运行的下一条地址，因此也被称为cpu上下文。

2、什么是CPU上下文切换

cpu上下文切换就是把上一个任务的cpu上下文保存起来，然后加载新任务的上下文到寄存器与程序计数器，加载完成后跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。被保运起来的上下文会存储在系统内核中，并在任务执行时再次加载进来。

 每次上下文切换需要几十纳秒到数微秒的时间，频繁上下文会导致cpu将大量时间耗费在寄存器，内核栈及虚拟内存等资源保存恢复上，缩短真正运行时间。当上下文次数超过1万次或出现爆发式增涨时，系统会出现性能问题。

cpu上下文切换包括进程上下文切换，线程上下文切换，中断上下文切换。

3、进程上下文切换

进程调度时会触发上下文切换，linux 为每个 cpu维护一个队列，将活跃进程按照优先级和等待 cpu的时间排序，然后选择优先级最高或等待 cpu时间最长的进程来运行。

比如有几种常见情况会触发进程上下文切换：

1.进程正常执行完，从队列中取出新进程执行。

2.进程分配的cpu时间片用完了，但仍未执行完任务。

3.系统资源不足时，要等到资源满足后才可以运行，此时进程被挂起。

4.调用sleep函数。

5.有更高优先级进程运行。

4、线程上下文切换

线程是系统调度的基本单位，进程是资源拥有的基本单位，为线程提供虚拟内存，全局变量等资源。线程上下文切换分为两种情况：

1.两个线程属于不同进程，此时进程资源不共享，线程上下文切换等于进程上下文切换

2.两个线程属于同个进程，此时进程资源共享，在线程切换时进程资源不变，只切换线程私有数据，此时线程上下文切换消耗资源比进程少。

5、中断上下文切换

由于硬件（鼠标、键盘）优先级高于进程优先级，收到硬件指令后会打断正在执行的进程，转而执行硬件指令，这种情况被称为中断上下文切换。

中断上下文切换不涉及进程用户态，发生中断上下文切换时不用保存和恢复进程的虚拟内存，全局变量等，性能消耗会比进程上下文切换低。

6、如何查看上下文切换

使用vmstat查看系统总体cpu上下文切换和中断次数。vmstat 2 2 表示每两秒统计一次，统计两次。

 

 

上下文切换主要观察以下指标： 

        cs：每秒上下文切换次数。

        in：每秒中断次数。

当发现系统总体上下文切换次数过高时，可使用pidstat -w查看进程上下文切换次数，或使用pidstat -wt查看线程上下文切换次数。

 

 cswch/s：每秒自愿上下文切换次数，自愿上下文切换指进程无法获取所需自愿，导致的上下文切换

 nvcswch/s ：每秒非自愿上下文切换次数，非自愿上下文切换指进程时间片用完了，被强制调度

7、CPU上下文切换分析

当自愿上下文切换次数增加时表明进程都在等待资源，此时磁盘io可能发生问题

当非自愿上下文切换次数增加表明进程间竞争cpu严重，此时cpu是系统瓶颈。

8、如何减少上下文切换（了解即可）

减少“上下文切换”常用有这种方法：无锁并发编程、CAS算法、使用最少线程和使用协程。

无锁并发编程：就是多线程竞争锁时，会引起上下文切换，多线程处理数据时，可以用一 些办法来避免使用锁，如将数据的ID按照Hash算法取模分段，不同的线程处理不同段的数据。

CAS算法：Java的Atomic包使用CAS算法来更新数据，就是它在没有锁的状态下，可以保证多个线程对一个值的更新。

使用最少线程：避免创建不需要的线程。

协程：在单线程里实现多任务的调度，并在单线程里维持多个任务间的切换。

 

参考：https://blog.csdn.net/shaofei_huai/article/details/118584421