Linux性能優化——CPU上下文切換
通過閱讀文本你將瞭解到以下內容：
- CPU上下文切換的原理
- CPU上下文切換的種類
- CPU上下文切換對性能的影響
1. 原理
Linux是一個支持多任務的操作系統，它能夠讓大於CPU核心數的任務同時運行。當然，這裏所說的同時有時候並不是真正意義上的同時，而是系統在很短時間內，將CPU時間片輪流分配給任務，讓他們看起來像是同時運行。
系統在調度每一個任務運行時，都要知道該任務從哪裏加載，從哪裏開始運行，這就涉及到系統爲這些任務設置CPU寄存器和程序計數器（Program Counter，PC）。這兩者是CPU在運行任何任務前，必須依賴的環境，因此被稱爲CPU上下文。系統在切換任務時需要先保存前一個任務的CPU上下文，然後加載（或恢復）下一個任務的CPU上下文，最後跳轉到PC所指位置運行任務。這一過程被稱爲CPU上下文切換。CPU上下文切換，是保證Linux系統正常工作的核心功能之一。
這裏提到的任務到底指的是什麼呢？其實任務具體分爲三種：進程、線程和中斷。根據任務的不同，CPU上下文切換也分爲三種，即進程上下文切換、線程上下文切換和中斷上下文切換。
2. 進程上下文切換
按照特權等級，進程的運行空間可分爲內核空間和用戶空間。進程運行在內核空間，被稱爲進程的內核態，此時具有最高權限，可以直接訪問所有資源；進程運行在用戶空間，被稱爲進程的用戶態，此時只能訪問受限資源，要想訪問特權資源必須陷入到內核中。從用戶態到內核態的轉變，需要通過系統調用來完成。系統調用就涉及到用戶態和內核態的上下文切換，這種切換一般稱爲特權模式切換。
進程間切換隻能發生在內核態，所以進程的上下文切換不僅包含進程的用戶空間資源（虛擬內存、棧、全局變量等），還包含內核空間狀態（內核堆棧、寄存器等）。
什麼會導致進程上下文切換呢？有以下幾種情況：
- 某進程的CPU時間片耗盡，被系統掛起，切換到另一個進程。
- 由於系統資源不足，某進程再等待資源時被掛起，由系統調度其他進程。
- 進程調用sleep睡眠函數將自己掛起。
- 高優先級進程搶佔低優先級進程，低優先級進程被掛起。
- 發生中斷時，當前進程被掛起，轉而執行中斷服務程序
3. 線程上下文切換
線程與進程的最大區別在於，線程是系統調度的基本單位（執行進程的最小單元），進程是資源擁有的基本單位。內核中的任務調度實際上針對的是線程，而進程爲線程提高了虛擬內存、全局變量等資源。由於線程與進程之間的這種關係，線程上下文切換分爲兩種情況：
- 同進程中的線程切換。有些資源是共享的，切換時保持不變，只需要切換線程的私有數據、寄存器等不共享的數據。
- 多進程中的線程切換。資源不共享，切換過程同進程上下文切換一樣
4. 中斷上下文切換
中斷會打斷進程的正常調度和執行，但中斷上下文切換隻發生在內核態，不涉及進程的用戶態，所以中斷打斷一個進程時，不需要保存和恢復進程的虛擬內存、全局變量等用戶態資源，只涉及到進程的內核狀態和中斷服務程序執行所需要的狀態（CPU寄存器、內核堆棧、中斷參數等）。
5. 性能影響
CPU上下文切換本身是消耗CPU的，一次上下文切換需要幾十納秒到幾微秒。過多的切換會把CPU時間消耗在上下文保存與恢復上，從而會縮短任務的真正運行時間，導致系統的整體性能下降。
另外，Linux通過TLB（Translation Lookaside Buffer）來管理虛擬內存到物理內存的映射關係。當虛擬內存更新後，TLB也需要刷新，內存的訪問也會隨之變慢。特別是在多處理器系統上，緩存是被多個處理器共享的，刷新緩存不僅會影響當前處理器的進程，還會影響共享緩存的其他處理器的進程。
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