波仔
🐧 第四章 进程调度器
📄 一句话概括

换人要付两笔钱：看得见的（保存/恢复寄存器、换栈、换页表）与看不见的（缓存和 TLB 全凉）。时间片从 16 缩到 1，切换次数从 9 次涨到 99 次——这笔税交得值不值，取决于你要的响应速度。

📝 本节和前面几节的关系

4.4 说调度在【分配】，这一节说分配本身要花钱：每换一次人，就有一笔固定开销，与换了多少活无关。

一、切换一次，具体发生什么

保存现场：当前进程的寄存器（程序计数器、栈指针、通用寄存器）存进它的进程控制块。 换地址空间：把页表基址寄存器换成新进程的——这一步就换掉了整个【世界】。 换栈：内核栈也要换，因为返回地址在新进程的栈上。 恢复现场：把新进程上次存下的寄存器装回去，跳回它当初停下的地方。 四步都是固定开销，与进程多大、活儿多少无关。

二、看不见的那笔最贵

切完之后，缓存和 TLB 都是凉的。 TLB 记的是【虚拟地址到物理地址】的翻译，换进程就得刷（或用地址空间标识区分）。刷完之后前几百次访存都要重新查页表。 CPU 缓存里装的是上一个进程的数据，新进程一上来基本全是缺。这段时间它跑得比平时慢好几倍。 这笔开销没人给你记账——top 里看不到【缓存冷】这一项，但它真实存在，而且往往比保存寄存器那点开销大一个数量级。

三、时间片越短，税越重

实测：时间片 16 时切换 9 次，时间片 1 时切换 99 次。 每拍切换的比例从 0.09 涨到 0.99——也就是几乎每一拍都在换人。 如果每次切换真机上是几微秒，那么时间片 1 毫秒时，光切换就吃掉可观的 CPU 时间。 这就解释了为什么 Linux 的默认时间片是毫秒级而不是微秒级：在【响应快】与【切换税】之间取一个平衡。

四、三个减少切换的办法

一、别开太多线程。每个线程都是一个可调度实体，线程数超过核数，切换就是常态。 二、减少锁竞争。等锁会让出 CPU，醒来又要抢——一次等锁可能引起两次切换。 三、用【批量】代替【频繁小任务】。同一件事拆成一千个小任务，调度器要切换一千次；合成几个大任务，切换次数直接掉下来。 这三条在工程上非常实用：性能问题的根因，有一大半最终能追到【切换太多】上。

五、动手 Demo：上下文切换——换人不要钱吗

先看【切换一次要做什么】的清单，再量【时间片变小，切换次数怎么涨】。 表里最后一行【每拍切换】是重点：它直接告诉你税有多重。

rows = []
for q in (1, 2, 4, 8, 16):
    ps = [Proc("P%d" % i, 20) for i in range(1, 6)]
    done, sw, _tl, total = run(ps, quantum=q, ncpu=1)
    rows.append((q, sw, total))

for q, sw, total in rows:
    print(q, "切换", sw, "总耗时", total, "每拍切换", sw / total)

实跑输出：

--------------------------------------------------------------------
上下文切换——换人不要钱吗
--------------------------------------------------------------------
① 切换一次要干什么

  要做的事                 属于哪一类     能不能省
  -----------------------------------------------------
  保存当前进程的寄存器     固定开销       不能
  换页表（换地址空间）     可能很贵       同进程内可省
  换栈                     固定开销       不能
  刷新 TLB／缓存变冷       隐性开销       换核更严重

  **看不见的那笔最贵**：换完之后缓存和 TLB 都是凉的，
  新进程前几微秒几乎在等内存。**这笔开销没人给你记账。**

② 时间片越小，切换越多，浪费越大

  时间片     切换次数     总耗时     每拍切换
  --------------------------------------------
  1          99           100        0.99
  2          49           100        0.49
  4          24           100        0.24
  8          14           100        0.14
  16         9            100        0.09

  **时间片从 16 缩到 1，切换次数翻上去一大截。**
  **如果每次切换按几微秒算，时间片 1 毫秒就意味着【每一毫秒都在交税】。**
  **所以时间片不是越小越好**——小到切换成本占掉可观比例，就白折腾了。

时间片 16 → 切换 9 次；时间片 1 → 切换 99 次。总耗时都是 100 拍（五个各 20 拍，这是死数）。 切换次数的增长是线性的：时间片砍一半，切换大致翻一倍。所以【小时间片】的代价是可以算出来的。 注意【每拍切换】这个指标：0.99 意味着几乎每拍都在换人，这时候 CPU 花在【管理调度】上的比例就不可忽略了。

📋 在真 Linux 上量这件事：vmstat 1 的 cs 列就是每秒上下文切换次数；pidstat -w 1 能按进程给；perf stat -e context-switches ./程序 单次运行就给。一个健康的系统，cs 通常在几千到几万；上百万就说明切换太频繁了。

30 秒实验

  1. vmstat 1 5 看 cs 列的波动，再开一个死循环 while true; do :; done 观察它变不变。
  2. pidstat -w 1 3（sysstat 包）看哪个进程在频繁切换。
  3. cat /proc/<pid>/status | grep -i switch——每个进程都记着它切换了多少次。

常见误区

  1. 【上下文切换就是保存寄存器】。那只是小头。大头是缓存和 TLB 变凉，以及换页表。
  2. 【切换次数越少越好】。切换是【分时】的前提。零切换意味着一个进程占着 CPU 不放，交互式系统就废了。
  3. 【线程越多并发越高】。超过核数之后，多出来的线程只会增加切换。并发高不高看的是【同时推进的任务数】，不是线程数。
自测三问（点开对答案） 1. 上下文切换的四步是什么？哪一步最贵？ —— 保存现场、换地址空间、换栈、恢复现场。**换页表引起的缓存与 TLB 变凉最贵**，而且没人给你记账。 2. 时间片从 16 缩到 1，切换次数怎么变？为什么？ —— 大约从 9 次涨到 99 次，**近似反比**——时间片砍一半，切换翻一倍。 3. 工程上减少切换的三个办法？ —— 别开太多线程、减少锁竞争、用批量代替频繁小任务。

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