Context Switches上下文切換效能詳解

1、什麼是cpu上下文切換（context switches）？

作業系統

可以同時執行多個程序，然而一顆cpu同時只能執行一項任務，作業系統利用時間片輪轉的方式，讓使用者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, 然後把當前任務的狀態儲存下來, 在載入下一任務的狀態後, 繼續服務下一任務。任務的狀態儲存及再載入, 這段過程就叫做上下文切換。

context switches上下文切換，有時也被稱為程序切換(process switch)或任務切換。是乙個重要的效能指標。

時間片輪轉的方式使多個任務在同一顆cpu上執行變成了可能, 但同時也帶來了儲存現場和載入現場的直接消耗。

cpu從乙個執行緒切換到另外乙個執行緒，需要儲存當前任務的執行環境，恢復將要執行任務的執行環境，必然帶來效能消耗。

2、如何獲得上下文切換的次數？（效能分析檢視context switches的方法）

linux

中可以通過工具vmstat, dstat, pidstat來觀察cs的切換情況。vmstat, dstat只能觀察整個系統的切換情況，而pidstat可以更精確地觀察某個程序的上下文切換情況。

windows中可以使用檢視程序的神器processxp，程序列表中可以新增context switchs和context switchs delta列，另外程序屬性threads標籤頁可檢視執行緒對應的context switchs。

另windows中還可以使用「效能計數器」監控context switchs的變化趨勢，方便效能分析。新增system\context switches/sec或thread(_total)\context switches/sec計數器即可。

示例如下：vmstat直接執行即可，在最後幾列，有cpu的context switch次數。這個是系統層面的，加入想看特定程序的情況，可以使用pidstat。

執行pidstat，將輸出系統啟動後所有活動程序的cpu統計資訊：

2023年07月21日：pidstat獲取資訊時間點

pid: 程序pid

%usr: 程序在使用者態執行所佔cpu時間比率

%system: 程序在核心態執行所佔cpu時間比率

%cpu: 程序執行所佔cpu時間比率

cpu: 指示程序在哪個核執行

command: 拉起程序對應的命令

備註:執行pidstat預設輸出資訊為系統啟動後到執行時間點的統計資訊，因而即使當前某程序的cpu佔用率很高，輸出中的值有可能仍為 0。

3、上下文切換的效能消耗

間接消耗：多核的cache之間得共享資料。間接消耗對於程式的影響要看執行緒工作區運算元據的大小。

linux相比與其他作業系統（包括其他類 unix 系統）有很多的優點，其中有一項就是，其上下文切換和模式切換的時間消耗非常少。

4、引起上下文切換的原因

對於我們經常使用的搶占式作業系統來說, 引起上下文切換的原因大概有以下幾種:

1. 當前執行任務的時間片用完之後, 系統cpu正常排程下乙個任務

2. 當前執行任務碰到io阻塞, 排程器將掛起此任務, 繼續下一任務

3. 多個任務搶占鎖資源, 當前任務沒有搶到,被排程器掛起, 繼續下一任務

4. 使用者**掛起當前任務, 讓出cpu時間

5. 硬體中斷，（如鍵盤、滑鼠、除錯解調器、系統時鐘）