进程上下文切换

• 上下文

  • 进程的执行，本质就是CPU执行其指令并不断改变寄存器状态的过程
  • 其中记录任务执行状态的寄存器信息，就是常说的上下文

• 切换

  • 是指一个进程A进入挂起状态后，CPU就需要切换到另一个进程B执行
  • 这时候需要保护进程A的任务状态，对CPU寄存器里的值进行压栈，便于之后还原现场继续执行
  • 进入挂起状态的几种情况
    • 进程的时间片用尽
    • 系统资源不足
    • 主动挂起，比如sleep函数
    • 当有优先级更高的进程运行
    • 发生硬件中断

• 切换的直接开销

  • 切换页表全局目录
  • 切换内核堆栈
  • 切换寄存器的数据
    • PC程序计数器、SP堆栈指针、其他CPU寄存器

• 切换的间接开销

  • L1~L3 cache miss
    • 是指每个CPU核心独有的L1、L2级缓存，它可以加快热点数据的读写速度
      • 注意L3是多核心共享的，但其他进程读写也会挤占部分数据
    • 当进程被调度到另外的CPU核心时会出现cache miss
  • TLB cache miss
    • 全称转换旁路缓冲，是指页式管理中缓存高频访问的地址映射关系的部件

• 量化分析

  • 步骤
    • 开启两个线程和一个管道，一个write线程往管道写数据，一个read线程从管道读数据
    • 二者通过互斥量进行同步，不断进行上下文切换
  • 测量结果
    • 在绑定CPU核心时，消耗1.2微秒，即1200纳秒，大概可以执行六万多条指令
    • 不绑定CPU核心时，消耗2.4微秒，即2400纳秒
  • 对比
    • 启动一个线程的耗时，5微秒
    • 启动一个进程的耗时，22微秒