linux进程自愿于强制切换

从进程的角度看，CPU是共享资源，由所有的进程按特定的策略轮番使用。一个进程离开CPU、另一个进程占据CPU的过程，称为进程切换(process switch)。进程切换是在内核中通过调用schedule()完成的。

发生进程切换的场景有以下三种：

1. 进程运行不下去了：
   比如因为要等待IO完成，或者等待某个资源、某个事件，典型的内核代码如下：
   //把进程放进等待队列，把进程状态置为TASK_UNINTERRUPTIBLE
   prepare_to_wait(waitq, wait, TASK_UNINTERRUPTIBLE);
   //切换进程
   schedule();

2. 进程还在运行，但内核不让它继续使用CPU了：
   比如进程的时间片用完了，或者优先级更高的进程来了，所以该进程必须把CPU的使用权交出来；
3. 进程还可以运行，但它自己的算法决定主动交出CPU给别的进程：
   用户程序可以通过系统调用sched_yield()来交出CPU，内核则可以通过函数cond_resched()或者yield()来做到。

进程切换分为自愿切换(Voluntary)和强制切换(Involuntary)，以上场景1属于自愿切换，场景2和3属于强制切换。如何分辨自愿切换和强制切换呢？

• 自愿切换发生的时候，进程不再处于运行状态，比如由于等待IO而阻塞(TASK_UNINTERRUPTIBLE)，或者因等待资源和特定事件而休眠(TASK_INTERRUPTIBLE)，又或者被debug/trace设置为TASK_STOPPED/TASK_TRACED状态；
• 强制切换发生的时候，进程仍然处于运行状态(TASK_RUNNING)，通常是由于被优先级更高的进程抢占(preempt)，或者进程的时间片用完了。

注：实际情况更复杂一些，由于Linux内核支持抢占，kernel preemption有可能发生在自愿切换的过程之中，比如进程正进入休眠，本来如果顺利完成的话就属于自愿切换，但休眠的过程并不是原子操作，进程状态先被置成TASK_INTERRUPTIBLE，然后进程切换，如果Kernel Preemption恰好发生在两者之间，那就打断了休眠过程，自愿切换尚未完成，转而进入了强制切换的过程（虽然是强制切换，但此时的进程状态已经不是运行状态了），下一次进程恢复运行之后会继续完成休眠的过程。所以判断进程切换属于自愿还是强制的算法要考虑进程在切换时是否正处于被抢占(preempt)的过程中，参见以下内核代码：

static void __sched __schedule(void)
{
        ...
        switch_count = &prev->nivcsw;//强制切换的次数
        if (prev->state && !(preempt_count() & PREEMPT_ACTIVE)) {//进程处于非运行状态并且允许抢占
...
                switch_count = &prev->nvcsw;//自愿切换的次数
        }
...
        if (likely(prev != next)) {
                rq->nr_switches++;
                rq->curr = next;
                ++*switch_count;//进程切换次数累加
                context_switch(rq, prev, next); /* unlocks the rq */
                /*
                 * The context switch have flipped the stack from under us
                 * and restored the local variables which were saved when
                 * this task called schedule() in the past. prev == current
                 * is still correct, but it can be moved to another cpu/rq.
                 */
                cpu = smp_processor_id();
                rq = cpu_rq(cpu);
        } else
                raw_spin_unlock_irq(&rq->lock);
        ...
}
not_running && preemptive : voluntary

最后，澄清几个容易产生误解的场景：

• 进程可以通过调用sched_yield()主动交出CPU，这不是自愿切换，而是属于强制切换，因为进程仍然处于运行状态。
• 有时候内核代码会在耗时较长的循环体内通过调用 cond_resched()或yield() ，主动让出CPU，以免CPU被内核代码占据太久，给其它进程运行机会。这也属于强制切换，因为进程仍然处于运行状态。

进程自愿切换(Voluntary)和强制切换(Involuntary)的次数被统计在 /proc/<pid>/status 中，其中voluntary_ctxt_switches表示自愿切换的次数，nonvoluntary_ctxt_switches表示强制切换的次数，两者都是自进程启动以来的累计值。

# grep ctxt /proc/26995/status
voluntary_ctxt_switches:        79
nonvoluntary_ctxt_switches:     4

也可以用 pidstat -w 命令查看进程切换的每秒统计值：

# pidstat -w 1
Linux 3.10.0-229.14.1.el7.x86_64 (bj71s060)     02/01/2018      _x86_64_       (2 CPU)

12:05:20 PM   UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command
12:05:21 PM     0      1299      0.94      0.00  httpd
12:05:21 PM     0     27687      0.94      0.00  pidstat

自愿切换和强制切换的统计值在实践中有什么意义呢？
大致而言，如果一个进程的自愿切换占多数，意味着它对CPU资源的需求不高。如果一个进程的强制切换占多数，意味着对它来说CPU资源可能是个瓶颈，这里需要排除进程频繁调用sched_yield()导致强制切换的情况。