CPU給我們的的啟示
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作為一只鳥，可以邊吃東西邊拉屎么?這對一個養過鸚鵡的人來說，答案是肯定的。
從鳥嘴到鳥大腸，整個過程是串行的。雖然有些曲折，但方向是單一的，出口是一定的。只要鳥能夠克服一些心理上的不悅，它就能辦得到。
這種情況在一些原始的物種身上顯得有些尷尬。比如水螅，它屬于腔腸動物，無性生殖。這幾個單詞都挺唬人，但它的體內只有一個空腔。從哪里吃，就從哪里出。
同是地球上的物種，從長遠看來，我們還是它的近親。
作為高級哺乳動物，我們能夠在呼吸的時候，同時說話，也能夠同時聽到聲音，看到賞心悅目的風景。如果你想的話，也可以辦到鸚鵡做的事。
這些信息被收集之后，一股腦發送給大腦進行處理。有可能是像深度學習一樣，存了一堆權重，但這些信息到底是如何處理的，我們現在還不得而知。
所以程序員們轉而研究計算機，畢竟這個相比起“最后歸途是哲學”的人類大腦，就像是個玩具。
我們都知道，干一堆事干不好，不如集中精力把一件事干好。這并不是說一個人沒能力把所有的事情干好，而是在不同的事務之間切換，是要耗費資源的。
你的大腦好不容易熟悉了一個工作場景，結果突然調度給它另外一項任務，它就要花很長時間切換到新的工作場景中。
有時候代碼寫多了，我就連說話都開始口吃。但一直不停的說說說，就又恢復了。
所以，所有的人都恨零零散散的工作事務。尤其是恨哪些不斷給你小事情，但又毫不相關的任務的領導。
到頭來，感覺做了很多，但一點成果都沒有，感覺人都廢了。
不要怕，我們看看CPU是怎么處理的。
CPU處理任務時不是一直只處理一個，而是通過給每個線程分配CPU時間片，時間片用完了就切換下一個線程。
時間片非常短，一般只有幾十毫秒，CPU通過不停地切換線程執行，但我們幾乎感覺不到任務的停滯。因為對人類來說，高質量的游戲，每秒只需要60幀，就算是流暢了。
這個時間還是相當可觀的，特別是在進程上下文切換次數較多的情況下，很容易導致CPU將大量時間消耗在寄存器，內核棧以及虛擬內存等資源的保存和恢復上，進而大大縮短了真正運行進程的時間。
對于Linux來說。程序在執行過程中通常有用戶態和內核態兩種狀態，CPU對處于內核態根據上下文環境進一步細分，因此有了下面三種狀態：
- 內核態，運行于進程上下文，內核代表進程運行于內核空間。
- 內核態，運行于中斷上下文，內核代表硬件運行于內核空間。
- 用戶態，運行于用戶空間
我們看一下Linux的top命令，是怎么顯示內核態和用戶態的。
如上圖，us就是user的意思;sy就是system的意思。分別代表了用戶態和內核態。
如果sy占用的太高，就有可能是上下文切換和中斷太頻繁了。
那什么是上下文?
所謂的上下文，說白了就是一個環境。比如你去食堂帶著飯盒，去廁所帶著廁紙。要是搞亂了，去廁所帶著飯盒，感覺上就不正常。操作系統為每一個進程，分配了這么一個上下文，用來存放：代碼、數據、用戶堆棧、共享存儲區、寄存器、進程控制塊等。
先不要管里面的細節了，反正內容很多，切換肯定是要有陳本的。比如，廁紙放在家里臥室柜子的第三層小隔間。
vmstat命令顯示的這幾列，就是這么個意思。cs不是csgo的縮寫，它的全拼是context switch。
在每個進程里，也可以看到累加的值。
- [root@localhost ~]# cat /proc/2788/status
- ...
- voluntary_ctxt_switches: 93950
- nonvoluntary_ctxt_switches: 171204
cs如果太高，那就是線程或者進程開的太多了。
上下文切換又分為2種。
讓步式上下文切換和搶占式上下文切換。
下面先說下讓步式上下文切換。我們拿Java中的cas操作來看就可以了。
cas除了 compare and switch原始指令支持以外，還需要一個循環來保證。
- 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;
- }
代碼放在循環里，在并發量比較高的情況下，如果許多線程反復嘗試更新某一個變量，卻又一直更新不成功，循環往復，會給CPU帶來很大的壓力。所以，讓步式上下文切換，是指執行線程主動釋放CPU，與鎖競爭嚴重程度成正比，可通過減少鎖競爭來避免。
而搶占式上下文切換，是指線程因分配的時間片用盡而被迫放棄CPU，或者被其他優先級更高的線程所搶占。一般由于線程數大于CPU可用核心數引起，可通過調整線程數，適當減少線程數來避免。
那為啥Java的線程就能夠比多進程速度快一些呢?因為Java的線程本質上也是一種輕量級進程，但它的虛擬內存等信息是共享的，只需要切換線程的私有數據，寄存器等不共享的數據。即使這樣，也會耗費不少時間。
使用perf命令同樣能夠觀測到這個上下文切換到過程和數量。比如：
- # 跟蹤所有上下文切換，直到Ctrl-C：
- perf record -e context-switches -c 1 -a
- # 包括使用的原始設置（請參閱：man perf_event_open）：
- perf record -vv -e context-switches -a
- # 使用堆棧跟蹤的示例上下文切換，直到Ctrl-C：
- perf record -e context-switches -ag
使用perf report即可查看相關結果。
對于計算機來說，效率最高的依然是專心做一件事。一定程度上，你也算是計算機的老板。如果你一直讓它干一些雜活，把它當牛使，那你的計算機效率不一定會高。
有些人很聰明，他一定知道這種來回切換的方式對你的工作效率影響巨大。排除他愚蠢的屬性，就只剩下壞：給你一堆爛七八糟的事，搞得你身心疲憊，最后又和你講結果導向的---一定是你的領導故意為之。
作者簡介：小姐姐味道 (xjjdog)，一個不允許程序員走彎路的公眾號。聚焦基礎架構和Linux。十年架構，日百億流量，與你探討高并發世界，給你不一樣的味道。我的個人微信xjjdog0，歡迎添加好友，進一步交流。
