✨ cpu 上下文

SUMMARY.md

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 ## 性能优化
 * [平均负载](stress-sysstat-mpstat-pidstat-watch-uptime.md)
+* [CPU 上下文切换](cpu-context.md)
 
 ## 参考资料
 * [书籍](http://billie66.github.io/TLCL/book/)	

cpu-context.md

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+## 什么是 CPU 上下文
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+Linux 是一个多任务操作系统，它支持远大于 CPU 数量的任务同时运行。当然，这些任务实际上并不是真的在同时运行，而是因为系统在很短的时间内，将 CPU 轮流分配给它们，造成多任务同时运行的错觉。而在每个任务运行前，CPU 都需要知道任务从哪里加载、又从哪里开始运行，也就是说，需要系统事先帮它设置好 CPU 寄存器和程序计数器(Program Counter，PC)。
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+CPU 寄存器，是 CPU 内置的容量小、但速度极快的内存。而程序计数器，则是用来存储 CPU 正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置。它们都是 CPU 在运行任何 任务前，必须的依赖环境，因此也被叫做 CPU 上下文。
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+CPU 上下文切换，是保证 Linux 系统正常工作的核心功能之一，一般情况下不需要我们特别关注。
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+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，导致系统的整体性能大幅下降。
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+## CPU 上下文切换分类
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+CPU 上下文切换，就是先把前一个任务的 CPU 上下文(也就是 CPU 寄存器和程序计数器)保存起来，然后加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器，最后再跳转到程序计数器所指的新位置， 运行新任务。
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+根据任务的不同，CPU 的上下文切换就可以分为 __进程上下文切换__、 __线程上下文切换__ 以及 __中断上下文切换__
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+#### 进程上下文切换
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+Linux 按照特权等级，把进程的运行空间分为内核空间和用户空间，CPU 特权等级的 Ring 0 和 Ring 3。
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+内核空间(Ring 0)具有最高权限，可以直接访问所有资源;
+用户空间(Ring 3)只能访问受限资源，不能直接访问内存等硬件设备，必须通过系统 调用陷入到内核中，才能访问这些特权资源。
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+进程既可以在用户空间运行，又可以在内核空间中运行。进程在用户空间运行时，被称为进程的用户态，而陷入内核空间的时候，被称为进程的内核态。
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+从用户态到内核态的转变，需要通过系统调用来完成。比如，当我们查看文件内容时，就需要多次系统调用来完成:首先调用 open() 打开文件，然后调用 read() 读取文件内容，并调用 write() 将内容写到标准输出，最后再调用 close() 关闭文件。
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+系统调用的过程也会发生 CPU 上下文的切换
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+CPU 寄存器里原来用户态的指令位置，需要先保存起来。接着，为了执行内核态代码，CPU 寄存器需要更新为内核态指令的新位置。最后才是跳转到内核态运行内核任务。
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+而系统调用结束后，CPU 寄存器需要恢复原来保存的用户态，然后再切换到用户空间，继续运行进程。所以， __一次系统调用的过程，其实是发生了两次 CPU 上下文切换__。
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+需要注意的是，系统调用过程中，并不会涉及到虚拟内存等进程用户态的资源，也
+不会切换进程。这跟我们通常所说的进程上下文切换是不一样的： __进程上下文切换，是指从一个进程切换到另一个进程运行。而系统调用过程中一直是同一个进程在运行__ 。所以，__系统调用过程通常称为特权模式切换，而不是上下文切换__。但实际上，系统调用过程中，CPU 的上下文切换还是无法避免的。
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+#### 线程上下文切换
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+__线程与进程最大的区别在于，线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位__。说白了，所谓内核中的任务调度，实际上的调度对象是线程;而进程只是给线程提供了虚拟内存、全局变量等资源。
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+所以，对于线程和进程，我们可以这么理解：__当进程只有一个线程时，可以认为进程就等于线程__。当进程拥有多个线程时，这些线程会共享相同的虚拟内存和全局变量等资源。这些资源在上下文切换时是不需要修改的。另外，线程也有自己的私有数据，比如栈和寄存器等，这些在上下文换时也是需要保存的。
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+线程的上下文切换其实就可以分为两种情况:
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+第一种， 前后两个线程属于不同进程。此时，因为资源不共享，所以切换过程就跟进程上下文切换是一样。
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+第二种，前后两个线程属于同一个进程。此时，因为虚拟内存是共享的，所以在切换时，
+虚拟内存这些资源就保持不动，只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据。
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+虽然同为上下文切换，但同进程内的线程切换，要比多进程间的切换消耗更少的资源，而这，也正是多线程代替多进程的一个优势。
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+#### 中断上下文切换
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+为了快速响应硬件的事件，中断处理会打断进程的正常调度和执行，转而调用中断处理程序，响应设备事件。而在打断其他进程时，就需要将进程当前的状态保存下来，这样在中断结束后，进程仍然可以从原来的状态恢复运行。
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+跟进程上下文不同，中断上下文切换并不涉及到进程的用户态。所以，即便中断过程打断了一个正处在用户态的进程，也不需要保存和恢复这个进程的虚拟内存、全局变量等用户 态资源。中断上下文，其实只包括内核态中断服务程序执行所必需的状态，包括 CPU 寄存器、内核堆栈、硬件中断参数等。
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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并不会与进程上下文切换同时发生。同样道理，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，以便尽可能快的执行结束。

stress-sysstat-mpstat-pidstat-watch-uptime.md

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 ## 什么平均负载
 
-简单来说，平均负载是指单位时间内，系统处于可运行状态和不可中断状态的平均进程数，也就是平均活跃进程数，它和 CPU 使用率并没有直接关系。
+简单来说，平均负载是指单位时间内，系统处于 __可运行状态__ 和 __不可中断状态__ 的平均进程数，也就是平均活跃进程数，它和 CPU 使用率并没有直接关系。
 
 所谓可运行状态的进程，是指正在使用 CPU 或者正在等待 CPU 的进程，也就是我们常用 ps 命令看到的，处于 R 状态(Running 或 Runnable)的进程。
 
-不可中断状态的进程则是正处于内核态关键流程中的进程，并且这些流程是不可打断的， 比如最常见的是等待硬件设备的 I/O 响应，也就是我们在 ps 命令中看到的 D 状态 (Uninterruptible Sleep，也称为 Disk Sleep)的进程。
+不可中断状态的进程则是正处于内核态关键流程中的进程，并且这些流程是不可打断的，比如最常见的是等待硬件设备的 I/O 响应，也就是我们在 ps 命令中看到的 D 状态 (Uninterruptible Sleep，也称为 Disk Sleep)的进程。
 
 比如，当一个进程向磁盘读写数据时，为了保证数据的一致性，在得到磁盘回复前，它是
 不能被其他进程或者中断打断的，这个时候的进程就处于不可中断状态。如果此时的进程
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 ## 平均负载与 CPU 使用率
 
-现实工作中，我们经常容易把平均负载和 CPU 使用率混淆，平均负载是指单位时间内，处于可运行状态和不可中断状态的进程数。所以，它不仅包括了正在使用 CPU 的进程，还包括等待 CPU 和等待 I/O 的进程。而 CPU 使用率，是单位时间内 CPU 繁忙情况的统计，跟平均负载并不一定完全对应。比 如:CPU 密集型进程，使用大量 CPU 会导致平均负载升高，此时这两者是一致的;I/O 密集型进程，等待 I/O 也会导致平均负载升高，但 CPU 使用率不一定很高;大量等待 CPU 的进程调度也会导致平均负载升高，此时的 CPU 使用率也会比较高。
+现实工作中，我们经常容易把平均负载和 CPU 使用率混淆，__平均负载是指单位时间内，处于可运行状态和不可中断状态的进程数__。所以，它不仅包括了正在使用 CPU 的进程，还包括等待 CPU 和等待 I/O 的进程。而 CPU 使用率，是单位时间内 CPU 繁忙情况的统计，跟平均负载并不一定完全对应。比如：
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+CPU 密集型进程，使用大量 CPU 会导致平均负载升高，此时这两者是一致的；
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+I/O 密集型进程，等待 I/O 也会导致平均负载升高，但 CPU 使用率不一定很高；
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+大量等待 CPU 的进程调度也会导致平均负载升高，此时的 CPU 使用率也会比较高。
 
 ## 平均负载测试