鸟，水螅，计算机。CPU给咱们的启示

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。

做为一只鸟，能够边吃东西边拉屎么？这对一个养过鹦鹉的人来讲，答案是确定的。

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，出口是必定的。只要鸟可以克服一些心理上的不悦，它就能办获得。

这种状况在一些原始的物种身上显得有些尴尬。好比水螅，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，咱们仍是它的近亲。

做为高级哺乳动物，咱们可以在呼吸的时候，同时说话，也可以同时听到声音，看到赏心悦目的风景。若是你想的话，也能够办到鹦鹉作的事。

这些信息被收集以后，一股脑发送给大脑进行处理。有多是像深度学习同样，存了一堆权重，但这些信息究竟是如何处理的，咱们如今还不得而知。

因此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。

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咱们都知道，干一堆事干很差，不如集中精力把一件事干好。这并非说一我的没能力把全部的事情干好，而是在不一样的事务之间切换，是要耗费资源的。

你的大脑好不容易熟悉了一个工做场景，结果忽然调度给它另一项任务，它就要花很长时间切换到新的工做场景中。

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。

因此，全部的人都恨零零散散的工做事务。尤为是恨哪些不断给你小事情，但又绝不相关的任务的领导。

到头来，感受作了不少，但一点成果都没有，感受人都废了。

不要怕，咱们看看CPU是怎么处理的。

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CPU处理任务时不是一直只处理一个，而是经过给每一个线程分配CPU时间片，时间片用完了就切换下一个线程。

时间片很是短，通常只有几十毫秒，CPU经过不停地切换线程执行，但咱们几乎感受不到任务的停滞。由于对人类来讲，高质量的游戏，每秒只须要60帧，就算是流畅了。

这个时间仍是至关可观的，特别是在进程上下文切换次数较多的状况下，很容易致使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来讲。程序在执行过程当中一般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，所以有了下面三种状态：

• 内核态，运行于进程上下文，内核表明进程运行于内核空间。
• 内核态，运行于中断上下文，内核表明硬件运行于内核空间。
• 用户态，运行于用户空间

咱们看一下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。分别表明了用户态和内核态。

若是sy占用的过高，就有多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。好比你去食堂带着饭盒，去厕所带着厕纸。要是搞乱了，去厕所带着饭盒，感受上就不正常。操做系统为每个进程，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，反正内容不少，切换确定是要有陈本的。好比，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。

在每一个进程里，也能够看到累加的值。

[root@localhost ~]# cat /proc/2788/status
...
voluntary_ctxt_switches: 93950
nonvoluntary_ctxt_switches: 171204
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cs若是过高，那就是线程或者进程开的太多了。

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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。咱们拿Java中的cas操做来看就能够了。

cas除了 compare and switch原始指令支持之外，还须要一个循环来保证。

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;
}
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代码放在循环里，在并发量比较高的状况下，若是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。因此，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，可经过减小锁竞争来避免。

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，或者被其余优先级更高的线程所抢占。通常因为线程数大于CPU可用核心数引发，可经过调整线程数，适当减小线程数来避免。

那为啥Java的线程就可以比多进程速度快一些呢？由于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，只须要切换线程的私有数据，寄存器等不共享的数据。即便这样，也会耗费很多时间。

使用perf命令一样可以观测到这个上下文切换到过程和数量。好比：

# 跟踪全部上下文切换，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
复制代码

使用perf report便可查看相关结果。

对于计算机来讲，效率最高的依然是专心作一件事。必定程度上，你也算是计算机的老板。若是你一直让它干一些杂活，把它当牛使，那你的计算机效率不必定会高。

有些人很聪明，他必定知道这种来回切换的方式对你的工做效率影响巨大。排除他愚蠢的属性，就只剩下坏：给你一堆烂七八糟的事，搞得你身心疲惫，最后又和你讲结果导向的---必定是你的领导故意为之。

做者简介：小姐姐味道 (xjjdog)，一个不容许程序员走弯路的公众号。聚焦基础架构和Linux。十年架构，日百亿流量，与你探讨高并发世界，给你不同的味道。个人我的微信xjjdog0，欢迎添加好友，​进一步交流。​