进程/线程切换究竟需要多少开销？

进程是我们开发同学非常熟悉的概念，我们可能也听说过进程上下文切换开销。那么今天让我们来思考一个问题，究竟一次进程上下文切换会吃掉多少CPU时间呢？线程据说比进程轻量，它的上下文切换会比进程切换节约很多CPU时间吗？带着这些疑问，让我们进入正题。

进程以及进程切换进程是操作系统的伟大发明之一，对应用程序屏蔽了CPU调度、内存管理等硬件细节，而抽象出一个进程的概念，让应用程序专心于实现自己的业务逻辑既可，而且在有限的CPU上可以“同时”进行许多个任务。但是它为用户带来方便的同时，也引入了一些额外的开销。如下图，在进程运行中间的时间里，虽然CPU也在忙于干活，但是却没有完成任何的用户工作，这就是进程机制带来的额外开销。

在进程A切换到进程B的过程中，先保存A进程的上下文，以便于等A恢复运行的时候，能够知道A进程的下一条指令是啥。然后将要运行的B进程的上下文恢复到寄存器中。这个过程被称为上下文切换。上下文切换开销在进程不多、切换不频繁的应用场景下问题不大。但是现在Linux操作系统被用到了高并发的网络程序后端服务器。在单机支持成千上万个用户请求的时候，这个开销就得拿出来说道说道了。因为用户进程在请求Redis、Mysql数据等网络IO阻塞掉的时候，或者在进程时间片到了，都会引发上下文切换。

一次简单的进程切换开销测试废话不多说，我们先用个实验测试一下，到底一次上下文切换需要多长的CPU时间！实验方法是创建两个进程并在它们之间传送一个令牌。其中一个进程在读取令牌时就会引起阻塞。另一个进程发送令牌后等待其返回时也处于阻塞状态。如此往返传送一定的次数，然后统计他们的平均单次切换时间开销。编译、运行

# gcc main.c -o main
# ./main./main
Before Context Switch Time1565352257 s, 774767 us
After Context SWitch Time1565352257 s, 842852 us

每次执行的时间会有差异，多次运行后平均每次上下文切换耗时3.5us左右。当然了这个数字因机器而异，而且建议在实机上测试。前文我们测试系统调用的时候，最低值是200ns。可见，上下文切换开销要比系统调用的开销要大。系统调用只是在进程内将用户态切换到内核态，然后再切回来，而上下文切换可是直接从进程A切换到了进程B。显然这个上下文切换需要完成的工作量更大。进程切换开销分析那么上下文切换的时候，CPU的开销都具体有哪些呢？开销分成两种，一种是直接开销、一种是间接开销。直接开销就是在切换时，cpu必须做的事情，包括：1、切换页表全局目录2、切换内核态堆栈3、切换硬件上下文（进程恢复前，必须装入寄存器的数据统称为硬件上下文）

• ip(instruction pointer)：指向当前执行指令的下一条指令

• bp(base pointer): 用于存放执行中的函数对应的栈帧的栈底地址

• sp(stack poinger): 用于存放执行中的函数对应的栈帧的栈顶地址

• cr3:页目录基址寄存器，保存页目录表的物理地址

• ......

4、刷新TLB5、系统调度器的代码执行间接开销主要指的是虽然切换到一个新进程后，由于各种缓存并不热，速度运行会慢一些。如果进程始终都在一个CPU上调度还好一些，如果跨CPU的话，之前热起来的TLB、L1、L2、L3因为运行的进程已经变了，所以以局部性原理cache起来的代码、数据也都没有用了，导致新进程穿透到内存的IO会变多。其实我们上面的实验并没有很好地测量到这种情况，所以实际的上下文切换开销可能比3.5us要大。想了解更详细操作过程的同学请参考《深入理解Linux内核》中的第三章和第九章。一个更为专业的测试工具-lmbenchlmbench用于评价系统综合性能的多平台开源benchmark，能够测试包括文档读写、内存操作、进程创建销毁开销、网络等性能。使用方法简单，但就是跑有点慢，感兴趣的同学可以自己试一试。这个工具的优势是是进行了多组实验，每组2个进程、8个、16个。每个进程使用的数据大小也在变，充分模拟cache miss造成的影响。我用他测了一下结果如下（下图需要横向滚动查看完全）：

-------------------------------------------------------------------------
Host                 OS  2p/0K 2p/16K 2p/64K 8p/16K 8p/64K 16p/16K 16p/64K
                         ctxsw  ctxsw  ctxsw ctxsw  ctxsw   ctxsw   ctxsw
--------- ------------- ------ ------ ------ ------ ------ ------- -------
bjzw_46_7 Linux 2.6.32- 2.7800 2.7800 2.7000 4.3800 4.0400 4.75000 5.48000

lmbench显示的进程上下文切换耗时从2.7us到5.48之间。线程上下文切换耗时前面我们测试了进程上下文切换的开销，我们再继续在Linux测试一下线程。看看究竟比进程能不能快一些，快的话能快多少。在Linux下其实本并没有线程，只是为了迎合开发者口味，搞了个轻量级进程出来就叫做了线程。轻量级进程和进程一样，都有自己独立的task_struct进程描述符，也都有自己独立的pid。从操作系统视角看，调度上和进程没有什么区别，都是在等待队列的双向链表里选择一个task_struct切到运行态而已。只不过轻量级进程和普通进程的区别是可以共享同一内存地址空间、代码段、全局变量、同一打开文件集合而已。

同一进程下的线程之所有getpid()看到的pid是一样的，其实task_struct里还有一个tgid字段。对于多线程程序来说，getpid()系统调用获取的实际上是这个tgid，因此隶属同一进程的多线程看起来PID相同。

我们用一个实验来进行另外一个测试。其原理和进程测试差不多，创建了20个线程，在线程之间通过管道来传递信号。接到信号就唤醒，然后再传递信号给下一个线程，自己睡眠。这个实验里单独考虑了给管道传递信号的额外开销，并在第一步就统计了出来。

# gcc -lpthread main.c -o main
0.508250
4.363495

每次实验结果会有一些差异，上面的结果是取了多次的结果之后然后平均的，大约每次线程切换开销大约是3.8us左右。从上下文切换的耗时上来看，Linux线程（轻量级进程）其实和进程差别不太大。Linux相关命令既然我们知道了上下文切换比较的消耗CPU时间，那么我们通过什么工具可以查看一下Linux里究竟在发生多少切换呢？如果上下文切换已经影响到了系统整体性能，我们有没有办法把有问题的进程揪出来，并把它优化掉呢？（下图需要横向滚动查看完全）

# vmstat 1
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- --system-- -----cpu-----
 r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st
 2  0      0 595504   5724 190884    0    0   295   297    0    0 14  6 75  0  4
 5  0      0 593016   5732 193288    0    0     0    92 19889 29104 20  6 67  0  7
 3  0      0 591292   5732 195476    0    0     0     0 20151 28487 20  6 66  0  8
 4  0      0 589296   5732 196800    0    0   116   384 19326 27693 20  7 67  0  7
 4  0      0 586956   5740 199496    0    0   216    24 18321 24018 22  8 62  0  8

# sar -w 1
proc/s
     Total number of tasks created per second.
cswch/s
     Total number of context switches per second.
11:19:20 AM    proc/s   cswch/s
11:19:21 AM    110.28  23468.22
11:19:22 AM    128.85  33910.58
11:19:23 AM     47.52  40733.66
11:19:24 AM     35.85  30972.64
11:19:25 AM     47.62  24951.43
11:19:26 AM     47.52  42950.50
......

上图的环境是一台生产环境机器，配置是8核8G的KVM虚机，环境是在nginx+fpm的，fpm数量为1000，平均每秒处理的用户接口请求大约100左右。其中cs列表示的就是在1s内系统发生的上下文切换次数，大约1s切换次数都达到4W次了。粗略估算一下，每核大约每秒需要切换5K次，则1s内需要花将近20ms在上下文切换上。要知道这是虚机，本身在虚拟化上还会有一些额外开销，而且还要真正消耗CPU在用户接口逻辑处理、系统调用内核逻辑处理、以及网络连接的处理以及软中断，所以20ms的开销实际上不低了。那么进一步，我们看下到底是哪些进程导致了频繁的上下文切换？（下图可能需要横向滚动查看完全）

# pidstat -w 1
11:07:56 AM       PID   cswch/s nvcswch/s  Command
11:07:56 AM     32316      4.00      0.00  php-fpm
11:07:56 AM     32508    160.00     34.00  php-fpm
11:07:56 AM     32726    131.00      8.00  php-fpm
......

由于fpm是同步阻塞的模式，每当请求Redis、Memcache、Mysql的时候就会阻塞导致cswch/s自愿上下文切换，而只有时间片到了之后才会触发nvcswch/s非自愿切换。可见fpm进程大部分的切换都是自愿的、非自愿的比较少。如果想查看具体某个进程的上下文切换总情况，可以在/proc接口下直接看，不过这个是总值。

grep ctxt /proc/32583/status
voluntary_ctxt_switches:        573066
nonvoluntary_ctxt_switches:     89260

上下文切换具体做哪些事情我们没有必要记，只需要记住一个结论既可，测得作者开发机上下文切换的开销大约是2.7-5.48us左右，你自己的机器可以用我提供的代码或工具进行一番测试。lmbench相对更准确一些，因为考虑了切换后Cache miss导致的额外开销。