你能像鸟一样，边xx边oo么？CPU给我们的启示

原创：小姐姐味道（微信公众号ID：xjjdog），欢迎分享，转载请保留出处。

作为一只鸟，可以边吃东西边拉屎么？这对一个养过鹦鹉的人来说，答案是肯定的。

从鸟嘴到鸟大肠，整个过程是串行的。虽然有些曲折，但方向是单一的，出口是一定的。只要鸟能够克服一些心理上的不悦，它就能办得到。

这种情况在一些原始的物种身上显得有些尴尬。比如水螅，它属于腔肠动物，无性生殖。这几个单词都挺唬人，但它的体内只有一个空腔。从哪里吃，就从哪里出。

同是地球上的物种，从长远看来，我们还是它的近亲。

作为高级哺乳动物，我们能够在呼吸的时候，同时说话，也能够同时听到声音，看到赏心悦目的风景。如果你想的话，也可以办到鹦鹉做的事。

这些信息被收集之后，一股脑发送给大脑进行处理。有可能是像深度学习一样，存了一堆权重，但这些信息到底是如何处理的，我们现在还不得而知。

所以程序员们转而研究计算机，毕竟这个相比起“最后归途是哲学”的人类大脑，就像是个玩具。

我们都知道，干一堆事干不好，不如集中精力把一件事干好。这并不是说一个人没能力把所有的事情干好，而是在不同的事务之间切换，是要耗费资源的。

你的大脑好不容易熟悉了一个工作场景，结果突然调度给它另外一项任务，它就要花很长时间切换到新的工作场景中。

有时候代码写多了，我就连说话都开始口吃。但一直不停的说说说，就又恢复了。

所以，所有的人都恨零零散散的工作事务。尤其是恨哪些不断给你小事情，但又毫不相关的任务的领导。

到头来，感觉做了很多，但一点成果都没有，感觉人都废了。

不要怕，我们看看CPU是怎么处理的。

CPU处理任务时不是一直只处理一个，而是通过给每个线程分配CPU时间片，时间片用完了就切换下一个线程。

时间片非常短，一般只有几十毫秒，CPU通过不停地切换线程执行，但我们几乎感觉不到任务的停滞。因为对人类来说，高质量的游戏，每秒只需要60帧，就算是流畅了。

这个时间还是相当可观的，特别是在进程上下文切换次数较多的情况下，很容易导致CPU将大量时间消耗在寄存器，内核栈以及虚拟内存等资源的保存和恢复上，进而大大缩短了真正运行进程的时间。

对于Linux来说。程序在执行过程中通常有 用户态 和 内核态 两种状态，CPU对处于内核态根据上下文环境进一步细分，因此有了下面三种状态：

内核态，运行于进程上下文，内核代表进程运行于内核空间。
内核态，运行于中断上下文，内核代表硬件运行于内核空间。
用户态，运行于用户空间

我们看一下Linux的top命令，是怎么显示内核态和用户态的。

如上图，us就是user的意思；sy就是system的意思。分别代表了用户态和内核态。

如果sy占用的太高，就有可能是上下文切换和中断太频繁了。

那什么是上下文？

所谓的上下文，说白了就是一个环境。比如你去食堂带着饭盒，去厕所带着厕纸。要是搞乱了，去厕所带着饭盒，感觉上就不正常。操作系统为每一个进程，分配了这么一个上下文，用来存放：代码、数据、用户堆栈、共享存储区、寄存器、进程控制块等。

先不要管里面的细节了，反正内容很多，切换肯定是要有陈本的。比如，厕纸放在家里卧室柜子的第三层小隔间。

vmstat命令显示的这几列，就是这么个意思。cs不是csgo的缩写，它的全拼是 context switch 。

在每个进程里，也可以看到累加的值。

[root@localhost ~]# cat /proc/2788/status
...
voluntary_ctxt_switches: 93950
nonvoluntary_ctxt_switches: 171204

cs如果太高，那就是线程或者进程开的太多了。

上下文切换又分为2种。

让步式上下文切换和抢占式上下文切换。

下面先说下让步式上下文切换。我们拿Java中的cas操作来看就可以了。

cas除了 compare and switch 原始指令支持以外，还需要一个循环来保证。

public final long getAndAddLong(Object var1, long var2, long var4) {
        long var6;
        do {
            var6 = this.getLongVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapLong(var1, var2, var6, var6 + var4));
        return var6;
}

代码放在循环里，在并发量比较高的情况下，如果许多线程反复尝试更新某一个变量，却又一直更新不成功，循环往复，会给CPU带来很大的压力。所以，让步式上下文切换，是指执行线程主动释放CPU，与锁竞争严重程度成正比，可通过减少锁竞争来避免。

而抢占式上下文切换，是指线程因分配的时间片用尽而被迫放弃CPU，或者被其他优先级更高的线程所抢占。一般由于线程数大于CPU可用核心数引起，可通过调整线程数，适当减少线程数来避免。

那为啥Java的线程就能够比多进程速度快一些呢？因为Java的线程本质上也是一种轻量级进程，但它的虚拟内存等信息是共享的，只需要切换线程的私有数据，寄存器等不共享的数据。即使这样，也会耗费不少时间。

使用perf命令同样能够观测到这个上下文切换到过程和数量。比如：

# 跟踪所有上下文切换，直到Ctrl-C：
perf record -e context-switches -c 1 -a

# 包括使用的原始设置（请参阅：man perf_event_open）：
perf record -vv -e context-switches -a

# 使用堆栈跟踪的示例上下文切换，直到Ctrl-C：
perf record -e context-switches -ag

使用 perf report 即可查看相关结果。