Linux｜时间片和上下文切换_linux设置线程时间片

Linux 系统调度中的时间片

Linux 时间片是操作系统调度中的一个概念，它是分配给每个进程或线程的 CPU 时间，即进程被允许运行的时间。如果某个进程 / 线程在时间片结束时还在运行，则 CPU 将暂停该进程 / 线程，并选择下一个已就绪的线程 / 进程来执行（切换）；如果某个进程 / 线程在时间片结束前就阻塞或结束，则 CPU 会在阻塞或结束时立即进行切换。

虽然每个处理器核心在一个时刻永远只能运行一个任务，但是通过时间片不断、快速地循环切换，可以让多个任务都得到执行。通常来说，时间片的长度很短，用于切换时间也非常短，所以从用户角度看来就是多个任务在同时执行，也就模拟了并行计算。对于多核或超线程的 CPU 来说，内部有不只一个处理器核心，也就真正实现了并行计算。

在 Linux 中，系统分配给每个进程的时间片的长短并不是固定的，而是受到进程父子关系、进程数量、进程交互性（趋向于 IO 密集型还是处理器密集型）等因素来分配不同的时间片长度。

如果时间片的长度过短，因为上下文切换（进程间切换）本身也是需要时间的，所以上下文切换就会占用更大比例的时间。

如果时间片的长度过长，那么当 CPU 正在执行的任务较多时，一些简单命令的响应时间也可能会因为 CPU 正在执行其他进程的时间片而延长。

上下文切换的过程

每次保存和恢复上下文的过程，都是在系统态进行的，并且需要几十纳秒到数微秒的 CPU 时间。具体包括如下过程：

1. CPU 保存线程 A 的用户态指令，切换为内核态
2. 保存线程 A 的私有资源，包括栈、寄存器等
3. 保存线程 A 的用户态资源，包括内存、打开文件等（如需切换进程）
4. 加载线程 B 的用户态资源，包括内存、打开文件等（如需切换进程）
5. 加载线程 B 的私有资源，包括栈、寄存器等
6. CPU 恢复线程 B 的用户态指令，切换为用户态

上下文切换的类型

主动的上下文切换（voluntary-context-switches）

进程主动放弃 CPU 的执行权。其常见的原因包括：

• 等待事件发生（包括等待用户输入、等待网络数据到达等）

被动的上下文切换（involuntary-context-switches）

进程被动放弃 CPU 的执行权。其常见的原因包括：

• 进程的时间片已经结束，被系统强制切换
• 高优先级进程抢占 CPU 资源
• 发生硬件中断，跳转执行内核的中断服务程序

常见问题及原因

大量进程争夺 CPU 资源时，被动的上下文切换次数激增

当 Linux 系统中参与竞争 CPU 资源的进程数量增加时，操作系统会将时间片分割得更小，以便公平地分配 CPU 时间给每个进程。这就导致处理器需要更加频繁地切换上下文并执行不同的进程，从而使得被动的上下文切换次数激增（system time 激增），同时也会导致上下文切换占用更大比例的 CPU 时间。