进程/线程上下文切换会用掉你多少CPU？( 二 ) _线程

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。

【进程/线程上下文切换会用掉你多少CPU？】我们用一个实验来测试一下test06 。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 main0.508250 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？
# vmstat 1 procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- --system-- -----cpu-----r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st2 0 0 595504 5724 190884 0 0 295 297 0 0 14 6 75 0 45 0 0 593016 5732 193288 0 0 0 92 19889 29104 20 6 67 0 73 0 0 591292 5732 195476 0 0 0 0 20151 28487 20 6 66 0 84 0 0 589296 5732 196800 0 0 116 384 19326 27693 20 7 67 0 74 0 0 586956 5740 199496 0 0 216 24 18321 24018 22 8 62 0 8 或者是
# sar -w 1 proc/sTotal number of tasks created per second. cswch/sTotal 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？
# pidstat -w 1 11:07:56 AM PID cswch/s nvcswch/s Command11:07:56 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 本节结论
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。
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参考文献