计算机基础知识 | cpu 上下文切换（Linux系统）

cpu上下文是指cpu在运行任何任务之前都要依赖的环境。cpu上下文包括两个部分，cpu寄存器和程序计数器。cpu上下文切换，指的就是把上一个任务寄存器和程序计数器的值保存起来（保存在内存特定的数据结构中）然后设置新任务cpu寄存器和程序计数器值的过程。

每次上下文切换需要几十纳秒到数微妙的cpu时间。

根据任务类型的不同，cpu上下文切换可以分为进程上下文切换，线程上下文切换，中断上下文切换。

还有一种情况比较特殊，系统调用的过程中也发生了上下文切换，这种切换被称为特权模式切换。

一个进程从用户态到内核态的转变，需要通过系统调用来完成。

从用户态切换到内核态，cpu寄存器原来的用户态的指令位置需要保存起来，然后加载内核态的指令位置到cpu寄存器中。

系统调用结束后，cpu寄存器需要恢复原来保存的用户态，然后再切换到用户空间，继续运行。所以，一次系统调用的过程，其实是发生了两次cpu上下文切换。

进程的上下文切换比系统调用多了一步，在保存当前进程的内核状态和cpu寄存器之前，需要先把该进程的虚拟内存，栈等保存下来。而加载了下一个进程的内核态之后，还需要刷新进程的虚拟内存和用户栈。

线程与进程的最大区别在于，线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位。内核中的任务调度，实际上调度的对象是线程。

当进程拥有多个线程时，这些线程会共享相同的虚拟内存和全局变量资源。这些资源在上下文切换时是不需要修改的。另外，线程也有自己的私有数据，比如栈和寄存器等。这些在上下文切换也是需要保存的。

线程的上下文切换分为两种情况：

1 ) 前后两个线程属于不同的进程。这时，切换线程就和切换进程一样。

2 ) 前后两个线程属于同一个进程。因为虚拟内存是共享的，所以在切换时，虚拟内存这些共享资源保存不动，只要切换线程的私有数据，寄存器等不共享的数据。

为了快速响应硬件的事件，中断处理会打断进程的正常调度和执行，转而执行中断处理程序。对于同一个cpu来说，中断处理比进程拥有更高的优先级。

跟进程上下文切换不同，内核的中断上下文切换并不涉及到进程的用户态。进程的用户态切换由cpu硬件来处理。所以即便中断过程打断了一个正处在用户态的进程，也不需要保存和恢复这个进程的虚拟内存，全局变量等用户态资源。这些由cpu硬件来保存和恢复。

参考资料：

1、物理CPU数：机器主板上实际插入的cpu数量，比如说你的主板上安装了一块8核CPU，那么物理CPU个数就是1个，所以物理CPU个数就是主板上安装的CPU个数。

2、物理CPU核数：单个物理CPU上面有多个核，物理CPU核数=物理CPU数✖️单个物理CPU的核

3、逻辑CPU核数：一般情况，我们认为一颗CPU可以有多个核，加上intel的超线程技术(HT), 可以在逻辑上再分一倍数量的CPU core出来。逻辑CPU核数=物理CPU数✖️单个物理CPU的核*2

4、超线程技术(Hyper-Threading)：就是利用特殊的硬件指令，把两个逻辑CPU模拟成两个物理CPU，实现多核多线程。我们常听到的双核四线程/四核八线程指的就是支持超线程技术的CPU。

1、并行：两件（多件）事情在同一时刻一起发生。

2、并发：两件（多件）事情在同一时刻只能有一个发生，由于CPU快速切换，从而给人的感觉是同时进行。

3、进程和线程

进程是资源分配的最小单位，一个程序有至少一个进程。线程是程序执行的最小单位。一个进程有至少一个线程。

线程之间的通信更方便，同一进程下的线程共享全局变量、静态变量等数据，而进程之间的通信需要以通信的方式（IPC)进行。多进程程序更健壮，多线程程序只要有一个线程死掉，整个进程也死掉了，而一个进程死掉并不会对另外一个进程造成影响，因为进程有自己独立的地址空间。

4、单核多线程：单核CPU上运行多线程， 同一时刻只有一个线程在跑，系统进行线程切换，系统给每个线程分配时间片来执行，看起来就像是同时在跑， 但实际上是每个线程跑一点点就换到其它线程继续跑。

5、多核多线程：每个核上各自运行线程，同一时刻可以有多个线程同时在跑。

1、对于单核：多线程和多进程的多任务是在单cpu交替执行（时间片轮转调度，优先级调度等），属于并发

2、对于多核：同一个时间多个进程运行在不同的CPU核上，或者是同一个时间多个线程能分布在不同的CPU核上（线程数小于内核数），属于并行。

3、上下文切换：上下文切换指的是内核（ *** 作系统的核心）在CPU上对进程或者线程进行切换。上下文切换过程中的信息被保存在进程控制块（PCB-Process Control Block）中。PCB又被称作切换帧（SwitchFrame）。上下文切换的信息会一直被保存在CPU的内存中，直到被再次使用。

CPU 亲和性（affinity）就是进程要在某个给定的 CPU 上尽量长时间地运行而不被迁移到其他处理器的倾向性。这样可以减少上下文切换的次数，提高程序运行性能。可分为：自然亲和性和硬亲和性

1、自然亲和性：就是进程要在指定的 CPU 上尽量长时间地运行而不被迁移到其他处理器，Linux 内核进程调度器天生就具有被称为 软 CPU 亲和性（affinity） 的特性，这意味着进程通常不会在处理器之间频繁迁移。这种状态正是我们希望的，因为进程迁移的频率小就意味着产生的负载小。Linux调度器缺省就支持自然CPU亲和性(natural CPU affinity): 调度器会试图保持进程在相同的CPU上运行。

2、硬亲和性：简单来说就是利用linux内核提供给用户的API，强行将进程或者线程绑定到某一个指定的cpu核运行。Linux硬亲和性指定API：taskset .

taskset [options] mask command [arg]...

taskset [options] -p [mask] pid

taskset 命令用于设置或者获取一直指定的 PID 对于 CPU 核的运行依赖关系。也可以用 taskset 启动一个命令，直接设置它的 CPU 核的运行依赖关系。

CPU 核依赖关系是指，命令会被在指定的 CPU 核中运行，而不会再其他 CPU 核中运行的一种调度关系。需要说明的是，在正常情况下，为了系统性能的原因，调度器会尽可能的在一个 CPU 核中维持一个进程的执行。强制指定特殊的 CPU 核依赖关系对于特殊的应用是有意义的

CPU 核的定义采用位定义的方式进行，最低位代表 CPU0，然后依次排序。这种位定义可以超过系统实际的 CPU 总数，并不会存在问题。通过命令获得的这种 CPU 位标记，只会包含系统实际 CPU 的数目。如果设定的位标记少于系统 CPU 的实际数目，那么命令会产生一个错误。当然这种给定的和获取的位标记采用 16 进制标识。

0x00000001

代表 #0 CPU

0x00000003

代表 #0 和 #1 CPU

0xFFFFFFFF

代表 #0 到 #31 CPU

-p, --pid

对一个现有的进程进行 *** 作，而不是启动一个新的进程

-c, --cpu-list

使用 CPU 编号替代位标记，这可以是一个列表，列表中可以使用逗号分隔，或者使用 "-" 进行范围标记，例如：0,5,7,9

-h, --help

打印帮助信息

-V, --version

打印版本信息

如果需要设定，那么需要拥有 CAP_SYS_NICE 的权限；如果要获取设定信息，没有任何权限要求。

taskset 命令属于 util-linux-ng 包，可以使用 yum 直接安装。

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