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本文由云 + 社区发表作者：cocoding
前言
听到上下文切换，大家第一反应肯定是：一定要减少这货出现的次数。确实上下文切换对性能的影响显而易见，但有时又无法完全避免，这就要求我们对上下文性能损耗了然于胸，才能更准确地评估系统性能。另外，现在云厂商提供的机器种类如此之多，虚拟机在这方面是否有区别。以上都需要有科学的方法来衡量上下文的耗时，进而帮助系统评估以及机型选择。
本文将从这以下两个方面来展开
上下文切换有哪些类型以及可能出现的场景
衡量各场景上下文切换耗时
1，上下文切换类型及场景
上下文大体上可以分为两类
进程上下文
中断上下文
进程上下文具体包括：
（1）用户级上下文: 正文、数据、用户堆栈以及共享存储区；
（2）寄存器上下文: 通用寄存器、程序寄存器 (IP)、处理器状态寄存器 (EFLAGS)、栈指针 (ESP)；
（3）系统级上下文: 进程控制块 task_struct、内存管理信息 (mm_struct、vm_area_struct、pgd、pte)、内核栈。
中断上下文具体包括：
（1）硬件传递过来的参数
因此上下文切换可以分为以下几类：
（1）进程之间的上下文切换：A 进程切换到 B 进程
（2）进程和中断之间的上下文切换：进程 A 被中断打断
（3）中断之间的上下文切换：低级别中断被高级别中断打断
其中第一种上下文切换最为常见，第二种次之，第三种最少见，因此本文接下来主要讨论前面两种上下文切换的耗时。
模式切换
这是要说一种特殊的上下文切换：模式切换，即进程 A 从用户态因为系统调用进入内核态，这种切换之所以特殊，是因为它并没有经过完整的上下文切换，只是寄存器上下文进行了切换，所以模式切换的耗时相对完整进程上下文更低。
虽然模式切换较完整上下文切换耗少，但仍不能小觑，在物理机上，一次系统调用（以 SYS_gettid 为例）在 50~60ns。（本文所有数据均是 Intel(R) Xeon(R) V4 和 V5 CPU 上得到）而在虚拟机上，一次系统调用更是可能达到
240ns，从 perf 来看，system_call_after_swapgs 函数消耗 CPU 较物理机多很多，网上有人说可能是为了解决 Spectre 漏洞，在每次系统调 用返回用户空间时，会清理一次 BTB（branch target buffer），需要进一步确认。
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因此，我们在代码里面也要尽量减少系统调用，常见的优化方法有：每次读写磁盘时，使用 buffer 减少 read/write 调用次数等。
2，上下文切换性能评估
测试上下文切换性能的工具有
unixbench
tsuna/contextswitch
两个工具的原理类似，都是创建两个进程，然后互相唤醒：
（1）unixbench 是创建两个进程，两个进程之间创建两个管道（pipe），通过管道来互相读写数据，结果是 10s 内完成的切换次数。
（2）contextswitch 同样是创建两个进程，通过 futex（快速用户区互斥）来互相唤醒，结果是循环 500000 次的耗时
进程之间的上下文切换
使用这两个工具在测试进程上下文时，需要注意一点：把两个进程绑定到同一个核上运行，否则可能测试的就不仅仅是进程上下文切换了，下面会介绍不绑核的情况。
unixbench
taskset -c 1 ./Run -c 1 context1
对于 contextswitch
taskset -c 1 ./timectxsw
或者直接运行 make 或者./cpubench.sh
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从上图可以看到，一次 ctx 的耗时在 1012~1263ns，但其实 perf 看，绑核情况下，运行 timectxsw 实际的 ctx 是在 300w 次（这里一次循环需要 6 次 ctx），所以实际的 ctx 应该是 674~842ns
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进程和中断上下文切换
上文提到如果要测试进程上下文切换耗时就一定要绑核，否则测试的很可能会包含进程和中断上下文切换的耗时，因为默认内核会把测试程序产生的进程调度到不同的核上，进程之间的唤醒，需要先发送 IPI 中断，对方 CPU 在收到 IPI 中断之后，会完成一次中断上下文切换，执行中断函数，进而再唤醒相应进程。所以在不绑核的情况下，测试的就包含了进程 - 中断上下文以及中断处理函数的耗时。
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unixbench
如果使用 unixbench 在腾讯云上，默认调度到 1 个核上，这样就测试的进程上下文切换，所以需要手动修改代码绑核，或者用 git 上的 unixbench-fix，强制将两个进程放到不同的核上
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contextswitch
contextswitch 这里还增加了在同一个 NUMA 上的测试，从测试数据看，两个进程如果调度到同一个 NUMA 上时，耗时会更短。
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从测试数据看：
如果两个进程跨 NUMA，一次上下文切换的耗时在 2500ns
如果两个进程在同 NUMA，一次上下文切换的耗时在 1500ns
在虚拟机里面，跨核的上下文切换会更大，因为 vcpu 无法处理 IPI 中断，需要退出的宿主机上处理，从而增加了上下文切换的耗时，总体上虚拟机跨核 ctx 的耗时是宿主机的 2~3 倍。
下一篇文章我们会对 IPI 中断的测试方法以及虚拟化之后可能的优化方法进行介绍，欢迎订阅，及时查看。
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