平均负载和上下文切换

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平均负载和上下文切换学习笔记：

一、平均负载（Load Average）

1. 定义： 单位时间内，系统中处于可运行状态和不可中断状态的平均进程数。

2. 错误定义： 不是单位时间内的CPU使用率，而是系统中等待CPU和正在执行的进程数量的平均值。

3. 理想状态： 每个CPU上都有一个活跃进程，平均负载数等于CPU数量。

4. 过载经验值： 平均负载高于CPU数量的70%时，系统可能过载。

二、相关命令

1. uptime： 显示系统运行时间和平均负载。

   uptime
   

2. top： 实时显示系统运行状态，包括平均负载。

   top
   

3. watch -d uptime： 动态显示uptime，高亮显示变化的区域。

   watch -d uptime
   

4. stress： 压测命令，用于测试系统稳定性。

   stress --cpu 4 --io 2 --vm 1 --vm-bytes 128M --timeout 10s
   

5. mpstat： 多核CPU性能分析工具。

   mpstat -P ALL 1
   

6. pidstat： 进程性能分析工具。

   pidstat -wtu 1
   

7. vmstat： 虚拟内存统计工具。

   vmstat -wt 1 1
   

三、平均负载与CPU使用率的区别

1. CPU使用率： 单位时间内CPU繁忙情况的统计。

2. 平均负载： 反映系统中运行和等待CPU的进程数，与CPU使用率不一定一致。

3. 情况区分：

   • CPU密集型：平均负载和CPU使用率基本一致。
   • IO密集型：平均负载升高，CPU使用率不一定升高。
   • 大量进程调度：平均负载和CPU使用率同时升高。

四、上下文切换（Context Switch）

1. 定义： 是对任务当前运行状态的暂存和恢复过程。

2. 类型：

   • 进程上下文切换
   • 线程上下文切换
   • 中断上下文切换

3. 过程：

   • 记录当前任务的上下文。
   • 找到新任务的上下文并加载。
   • 切换到新任务的程序计数器位置，恢复其任务。

4. 触发条件：

   • 时间片耗尽
   • 资源不足
   • 进程睡眠
   • 高优先级进程
   • 硬件中断

5. 性能问题： 大量的上下文切换可能引发性能问题，需谨慎处理。

五、减少上下文切换的技术用例

1. 数据库连接池： 复用连接减少进程间的上下文切换。
2. 合理设置进程、线程数： 避免过多进程导致切换开销。
3. 直接内存访问（DMA）： 减少CPU参与IO操作。
4. 零拷贝技术： 优化数据传输过程，减少拷贝次数。

六、CPU为什么要进行上下文切换

1. 多任务调度： 多个进程竞争CPU，保证公平调度和执行。
2. 时间片轮转： 采用时间片机制，轮流处理多个进程。
3. 硬件中断响应： 中断处理打断正常调度，需要切换到中断上下文。

总体而言，理解平均负载和上下文切换对于系统性能分析和优化是非常重要的。通过合理使用相关命令和技术手段，可以更好地监控系统状态，及时发现和解决性能问题。