Linux性能优化实战：上下文切换
摘 学习笔记
1、多任务竞争CPU，cpu变换任务的时候进行CPU上下文切换(context switch)。
CPU执行任务有4种方式：进程、线程、或者硬件通过触发信号导致中断的调用。
2、当切换任务的时候，需要记录任务当前的状态和获取下一任务的信息和地址(指针)，这就是上下文的内容。
因此，上下文是指某一时间点CPU寄存器(CPU register)和程序计数器(PC)的内容, 广义上还包括内存中进程的虚拟地址映射信息。
CPU寄存器：CPU用来存储指令
程序计数器：CPU用来存储下一条要执行的指令
3、上下文切换的过程：
(1)记录当前任务的上下文(即寄存器和计算器等所有的状态)；
(2)找到新任务的上下文并加载；
(3)切换到新任务的程序计算器位置，恢复其任务。
4、根据任务的执行形式，相应的下上文切换，有进程上下文切换、线程上下文切换、以及中断上下文切换三类。
5、进程和线程的区别： 进程是资源分配和执行的基本单位；线程是任务调度和运行的基本单位。线程没有资源，进程给指针提供虚拟内存、栈、变量等共享资源，而线程可以共享进程的资源。
6、进程上下文切换：是指从一个进程切换到另一个进程。
(1)进程运行态为内核运行态和进程运行态。内核空间态资源包括内核的堆栈、寄存器等；用户空间态资源包括虚拟内存、栈、变量、正文、数据等
(2)系统调用(软中断)在内核态完成的，需要进行2次CPU上下文切换(用户空间-->内核空间-->用户空间)，不涉及用户态资源，也不会切换进程。属于同进进程内的切换。
(3)进程是由内核来管理和调度的，进程的切换只能发生在内核态。所以，进程的上下文不仅包括了用户空间的资源，也包括内核空间资源。
(4)进程的上下文切换过程：
(a)接收到切换信号，挂起进程，记录当前进程的虚拟内存、栈等资源存储;
(b)将这个进程在 CPU 中的上下文状态存储于起来;
(c)然后在内存中检索下一个进程的上下文;
(d)并将其加载到 CPU的寄存器中恢复;
(e)还需要刷新进程的虚拟内存和用户栈;
(f)最后跳转到程序计数器所指向的位置（即跳转到进程被中断时的代码行），以恢复该进程。
(5)、下列将会触发进程上下文切换的场景：
(a)、根据调度策略，将CPU时间划片为对应的时间片，当时间片耗尽，当前进程必须挂起。
(b)、资源不足的，在获取到足够资源之前进程挂起。
(c)、进程sleep挂起进程。
(d)、高优先级进程导致当前进度挂起
(e)、硬件中断，导致当前进程挂起
7、线程上下文切换： (1)、不通进程之间的线程上下文切换，其过程和进程上下文切换大致相同。 (2)、进程内部的线程进上下文切换。不需要切换进程的用户资源，只需要切换线程私有的数据和寄存器等。这会比进程上下文进程切换消耗的资源少，所以多线程相比多进程的优势。
8、中断上下文切换 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。同一CPU内，硬件中断优先级高于进程。切换过程类似于系统调用的时候，不涉及到用户运行态资源。但大量的中断上下文切换同样可能引发性能问题。
9、案例分析
登录到服务器，现在系统负载怎么样 。
高的话有三种情况，首先是cpu使用率 ，其次是io使用率 ，之后就是两者都高 。
- cpu 使用率高，可能确实是使用率高， 也的可能实际处理不高而是进程太多切换上下文频繁 ， 也可能是进程内线程的上下文切换频繁。
- io 使用率高 ， 说明 io 请求比较大， 可能是 文件io 、 网络io 。
工具 ：
系统负载 ： uptime （ watch -d uptime）看三个阶段平均负载
系统整体情况 ： mpstat （mpstat -p ALL 3） 查看 每个cpu当前的整体状况，可以重点看用户态、内核态、以及io等待三个参数
系统整体的平均上下文切换情况 ： vmstat (vmstat 3) 可以重点看 r （进行或等待进行的进程）、b （不可中断进程/io进程） 、in （中断次数） 、cs（上下文切换次数）
查看详细的上下文切换情况 ： pidstat （pidstat -w(进程切换指标)/-u（cpu使用指标）/-wt(线程上下文切换指标)） 注意看是自愿上下文切换、还是被动上下文切换
io使用情况 ： iostat
模拟场景工具 ：
- stress ： 模拟进程 、 io
- sysbench ： 模拟线程数
stree进程执行的计算是sqrt函数（库函数，所以usr cpu高），sysbench命令执行的是线程的各种同步操作（系统调用，所以sys cpu高），例如lock。通过stree --help 和 sysbench thread help 就能查看到。
stress压测在用户态的cpu占用高，是因为调用的函数在用户空间执行，而不是在内核空间执行。
10、其他参考
进程状态说明
- R (task_running) :可执行状态
- S (task_interruptible): 可中断的睡眠状态
- D (task_uninterruptible): 不可中断的睡眠状态
- T(task_stopped or task_traced)：暂停状态或跟踪状态
- Z (task_dead - exit_zombie)：退出状态，进程成为僵尸进程
- X (task_dead - exit_dead)：退出状态，进程即将被销毁
