1.什么是上下文切換（Context Switch）？

上下文切換，有時也稱做進程切換或任務切換，是指CPU從一個進程或線程切換到另一個進程或線程。

操作系統(tǒng)可以同時運行多個進程， 然而一顆CPU同時只能執(zhí)行一項任務，操作系統(tǒng)利用時間片輪轉(zhuǎn)的方式，讓用戶感覺這些任務正在同時進行。 CPU給每個任務都服務一定的時間, 然后把當前任務的狀態(tài)保存下來, 在加載下一任務的狀態(tài)后, 繼續(xù)服務下一任務。任務的狀態(tài)保存及再加載, 這段過程就叫做上下文切換。

當一個進程在執(zhí)行時,CPU的所有寄存器中的值、進程的狀態(tài)以及堆棧中的內(nèi)容被稱 為該進程的上下文。當內(nèi)核需要切換到另一個進程時，它需要保存當前進程的 所有狀態(tài)，即保存當前進程的上下文，以便在再次執(zhí)行該進程時，能夠必得到切換時的狀態(tài)執(zhí)行下去。在LINUX中，當前進程上下文均保存在進程的任務數(shù)據(jù)結(jié) 構(gòu)中。在發(fā)生中斷時,內(nèi)核就在被中斷進程的上下文中，在內(nèi)核態(tài)下執(zhí)行中斷服務例程。但同時會保留所有需要用到的資源，以便中繼服務結(jié)束時能恢復被中斷進程 的執(zhí)行。

 

2.上下文切換的消耗？

直接消耗包括: CPU寄存器需要保存和加載，系統(tǒng)調(diào)度器的代碼需要執(zhí)行，TLB實例需要重新加載，CPU 的pipeline需要刷掉。

間接消耗：多核的cache之間得共享數(shù)據(jù)，間接消耗對于程序的影響要看線程工作區(qū)操作數(shù)據(jù)的大小。

上下文切換通常是計算密集型的。也就是說，它需要相當可觀的處理器時間，在每秒幾十上百次的切換中，每次切換都需要納秒量級的時間。所以，上下文切換對系統(tǒng)來說意味著消耗大量的 CPU 時間，事實上，可能是操作系統(tǒng)中時間消耗最大的操作。

3.如何檢查上下文切換是否頻繁？

（1）確認CPU使用率

CPU是否處于空閑狀態(tài)。

（2）vmstat 1

從vmstat的輸出可以看到，io項的block_in和block_out是否頻繁，system項的每秒中斷數(shù)（in）和每秒的上下文切換（cs）是否頻繁。

（3）

pidstat -w 1

從pidstat上可以看到，每個進程對應的cswch（自愿上下文切換）和nvcswch（非自愿上下文切換）是否頻繁。

cswch/s: 每秒任務主動(自愿的)切換上下文的次數(shù)，當某一任務處于阻塞等待時，將主動讓出自己的CPU資源。
nvcswch/s: 每秒任務被動(不自愿的)切換上下文的次數(shù)，CPU分配給某一任務的時間片已經(jīng)用完，因此將強迫該進程讓出CPU的執(zhí)行權(quán)。

（4）/proc/stat

/proc/stat包含了CPU的活動信息，上下文切換就是其中一項，以ctxt開頭，它表示系統(tǒng)開機到目前為止的上下文切換總數(shù)。

cat /proc/stat | grep ctxt && sleep 30 && cat /proc/stat | grep ctxt
通過上面的命令，可以計算出每秒上下文切換次數(shù)=兩者差值/30

通過以上命令即可以定位那個進程上下文切換頻繁。

 

4.造成上下文切換頻繁的原因？

當前執(zhí)行任務的時間片用完之后, 系統(tǒng)CPU正常調(diào)度下一個任務

當前執(zhí)行任務碰到IO阻塞, 調(diào)度器將掛起此任務, 繼續(xù)下一任務

多個任務搶占鎖資源, 當前任務沒有搶到,被調(diào)度器掛起, 繼續(xù)下一任務

用戶代碼掛起當前任務, 讓出CPU時間

硬件中斷