简析 Linux 的 CPU 时间 _生活百科

从 CPU 时间说起...下面这个是 top 命令的界面，相信大家应该都不陌生。
top - 19:01:38 up 91 days, 23:06,1 user,load average: 0.00, 0.01, 0.05Tasks: 151 total,1 running, 149 sleeping,1 stopped,0 zombie%Cpu(s):0.0 us,0.1 sy,0.0 ni, 99.8 id,0.0 wa,0.0 hi,0.0 si,0.0 stKiB Mem :8010420 total,5803596 free,341300 used,1865524 buff/cacheKiB Swap:0 total,0 free,0 used.6954384 avail MemPID USERPRNIVIRTRESSHR S%CPU %MEMTIME+ COMMAND13436 root200 1382776280405728 S0.30.4 251:21.06 n9e-collector1 root2004318433842212 S0.00.05:15.64 systemd2 root200000 S0.00.00:00.28 kthreadd3 root200000 S0.00.00:00.58 ksoftirqd/05 root0 -20000 S0.00.00:00.00 kworker/0:0H7 rootrt0000 S0.00.00:35.48 migration/0%Cpu(s): 这一行表示的是 CPU 不同时间的占比，其中大家比较熟悉的应该是 system time 与 user time：

正常情况下 user time 占比应该最高，这是进程运行应用代码的的时间占比（CPU 密集）
而 system time 占用率高，则意味着存在频繁的系统调用（IO 密集）或者一些潜在的性能问题

不熟悉的朋友可以参考下面这张图（来源于极客时间的课程）：

文章插图
接下来我们将探究隐藏在这些时间背后的操作原理。
内核态与用户态【简析 Linux 的 CPU 时间】操作系统的核心功能就是管理硬件资源，因此不可避免会使用到一些直接操作硬件的CPU指令，这类指令我们称之为特权指令。特权指令如果使用不当，将会导致整个系统的崩溃，因此操作系统提供了一组特殊的资源访问代码 —— 内核kernel 来负责执行这些指令。
操作系统将虚拟地址空间划分为两部分：

内核空间kernel memotry：存放内核代码和数据（进程间共享）
用户空间user memotry：存放用户程序的代码和数据（相互隔离）

文章插图
通过区分内核空间和用户空间的设计，隔离了操作系统代码与应用程序代码。即便是单个应用程序出现错误也不会影响到操作系统的稳定性，这样其它的程序还可以正常的运行。
应用程序通过内核提供的接口，访问 CPU、内存、I/O 等硬件资源，我们将该过程称为系统调用system call 。系统调用是操作系统的最小功能单位。
每个进程处于活动状态时，可能处于以下两种状态之一：

执行用户空间的代码时，处于用户态
执行内核空间的代码时（系统调用），处于内核态

每次执行系统调用时，都需要经历以下变化：

CPU 保存用户态指令，切换为内核态
在内核态下访问系统资源
CPU 恢复用户态指令，切换回用户态

而之前的 user time 与 system time 分别就是对应 CPU 在用户态与内核态的运行时间。
上下文切换当发生以下状况时，线程会被挂起，并由系统调度其他线程运行：

等待系统资源分配
调用sleep主动挂起
被优先级更高的线程抢占
发生硬件中断，跳转执行内核的中断服务程序

同个进程下的线程共享进程的用户态空间，因此当同个进程的线程发生切换时，都需要经历以下变化：

CPU 保存线程 A 用户态指令，切换为内核态
保存线程 A 私有资源（栈、寄存器...）/li>
加载线程 B 私有资源（栈、寄存器...）
CPU 恢复线程 B 用户态指令，切换回用户态

不同线程的用户态空间资源是相互隔离的，当不同进程的线程发生切换时，都需要经历以下变化：

CPU 保存线程 A 用户态指令，切换为内核态
保存线程 A 私有资源（栈、寄存器...）
保存线程 A 用户态资源（虚拟内存、全局变量...）
加载线程 B 用户态资源（虚拟内存、全局变量...）
加载线程 B 私有资源（栈、寄存器...）
CPU 恢复线程 B 用户态指令，切换回用户态

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。当切换次数较多时会耗费大量的 system time ，进而大大缩短了真正运行进程的 user time 。
当用户线程过多时，会引起大量的上下文切换，导致不必要的性能开销。
线程调度Linux 中的线程是从父进程 fork 出的轻量进程，它们共享父进程的内存空间。