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主题

度量上下文切换花费多少时间？ ​

上下文切换是发生在两个进程之间的时间（即将一个等待中的进程带入执行状态，并将一个正在执行的进程送入等待状态）。这发生在多任务处理中。操作系统必须将等待进程的状态信息载入内存，并保存当前运行进程的状态信息。

为了解决这个问题，我们想要记录交换进程的第一条和最后一条指令的时间戳。上下文切换时间是两个进程之间的时间差。

举个例子： 假设只有两个进程，P1和P2。P1正在执行，P2等待执行。在某个时刻，操作系统必须交换P1和P2，假设它发生在P1的第n条指令。如果t(x, k)表示进程x的第k条指令的微秒时间戳，那么上下文切换将花费t(2, 1) – t(1, n)。

另一个问题是，交换受操作系统的调度算法控制，可能还有许多内核级线程也在进行上下文切换。其他进程可能正在争夺CPU，或者内核正在处理中断。用户无法控制这些额外的上下文切换。例如，如果在时间t(1, n)内核决定处理一个中断，那么上下文切换时间将被高估。

为了避免这些障碍，我们必须构建一个环境，使得在P1执行后，任务调度器立即选择P2运行。这可以通过构建一个数据通道来实现，比如P1和P2之间的管道。

也就是说，让P1成为初始发送者，P2成为接收者。最初，P2被阻塞（睡眠），因为它等待数据令牌。当P1执行时，它通过数据通道将数据令牌传递给P2，并立即尝试读取来自P2的响应令牌。这导致上下文切换，任务调度器必须选择另一个进程运行。由于P2现在处于准备运行状态，它是任务调度器选择执行的理想候选。当P2运行时，P1和P2的角色被交换。P2现在扮演发送者的角色，P1扮演被阻塞的接收者。

总结——

  1. P2阻塞等待P1的数据
  2. P1标记开始时间。
  3. P1向P2发送一个令牌。
  4. P1尝试从P2读取响应令牌。这引发上下文切换。
  5. P2被调度并接收令牌。
  6. P2向P1发送响应令牌。
  7. P2尝试从P1读取响应令牌。这引发上下文切换。
  8. P1被调度并接收令牌。
  9. P1标记结束时间。

关键是传递数据令牌引发上下文切换。设Td和Tr分别是传递和接收数据令牌所需的时间，Tc是上下文切换中花费的时间。在步骤2中，P1记录了传递令牌的时间戳，在步骤9中，它记录了响应的时间戳。这些事件之间经过的时间T，可以表示为：

T = 2 * (Td + Tc + Tr)

这个公式之所以出现，是因为以下事件：

  • P1发送令牌（3）
  • CPU上下文切换（4）
  • P2接收它（5）
  • P2然后发送响应令牌（6）
  • CPU上下文切换（7）
  • 最后，P1接收它（8）

优点： ​

  1. 性能优化： 度量上下文切换所花费的时间可以帮助识别操作系统中的性能瓶颈。通过分析收集到的数据，开发人员可以优化操作系统以减少上下文切换中花费的时间，从而提高系统性能。
  2. 进程调度： 度量上下文切换所花费的时间可以帮助操作系统确定最佳的进程调度执行方式。通过了解进程之间切换所需的时间，操作系统可以做出更明智的决策，决定接下来执行哪些进程。
  3. 调试： 度量上下文切换所花费的时间对于调试很有用。开发人员可以使用收集到的数据来识别操作系统实现上下文切换中的问题，例如慢速或低效的代码。
  4. 基准测试： 度量上下文切换所花费的时间可用于基准测试不同的操作系统或同一操作系统的不同版本。通过比较收集到的数据，开发人员可以确定哪个操作系统在上下文切换方面表现更好。

缺点： ​

  1. 开销： 度量上下文切换所花费的时间可能会给系统带来额外的开销，可能影响系统性能。用于度量上下文切换所花费时间的代码必须仔细优化，以最小化这种开销。
  2. 数据不准确： 度量上下文切换所花费的时间可能很具挑战性，因为它受到许多可能影响收集数据准确性的变量的影响。例如，收集的数据可能会受到后台运行的其他系统进程或测量期间发生的硬件中断的影响。
  3. 平台特定： 上下文切换所花费的时间可能因平台和所用硬件而异，这使得跨不同系统比较结果变得困难。
  4. 范围有限： 度量上下文切换所花费的时间仅提供了系统性能的有限视图。其他因素，如内存使用、磁盘I/O和网络延迟，也对整体系统性能有贡献，在评估系统性能时也必须考虑这些因素。

常见问题解答：

什么是计算机科学中的上下文切换？

操作系统调度程序的基本操作是执行上下文切换，这包括保存当前运行的进程的状态，并恢复之前被阻塞或等待的进程的状态，所有这些都是为了使多个进程能够使用一个处理器。

为什么需要上下文切换？

上下文切换是操作系统运行不同进程的并发需求，尽管只有一个CPU。通过及时在这些进程之间交替，操作系统能够呈现出并行执行的假象，这是现代多任务系统的一个关键特性。

上下文切换如何影响系统性能？

系统性能可能受到上下文切换的极大影响。这是由于保存和恢复进程状态所需的资源和时间导致的开销。然而，上下文切换对系统的影响是可变的，取决于不同的方面，如调度程序的算法、运行中的进程数量以及它们的上下文大小。

如何优化上下文切换以获得更好的性能？

开发人员有几种策略可供选择，以改善上下文切换。这些包括最小化必须保存和恢复的数据量，减少上下文切换的频率，以及优化调度程序算法，根据它们的执行需求优先考虑进程。

上下文切换是否会导致死锁或其他同步问题？

上下文切换的实现不当常常会导致死锁或同步问题。考虑这样一个场景，两个进程都依赖于对方的资源；如果在这两者之间进行上下文切换，可能会导致死锁。因此，开发人员在设计他们的同步机制时必须非常细心，并且必须非常小心地确保它们被正确实现，以防止此类问题。