【OSTEP 练习题】测量操作系统切换上下文的耗时

尝试解答 OSTEP ¹ 第6章 “Limited Direct Execution” 的练习题 —— 测量操作系统切换上下文的耗时。

环境

使用的测试平台 CPU 是 Intel i5-6200U，主频 2.3GHz，操作系统是 Arch Linux，内核版本 5.7.7。

方法

为了尽量准确地测量进程上下文切换耗时，需要有如下几个前提：

创建 2 个测试进程；
保证这 2 个进程运行在同一个 CPU 核上（鉴于目前的计算平台一般为多核 CPU）；
保证正在运行这 2 个测试进程的 CPU 核上没有运行其他用户进程；
尽量使操作系统在指定时刻执行进程调度（与此同时执行上下文切换）。

进程创建

使用 fork 系统调用创建子进程：

switch (fork()) {
case -1: // error handling
    exit(EXIT_FAILURE);
case 0: // child process
    // do something in child process
    exit(EXIT_SUCESS);
default: // parent process
    // do something in parent process
    exit(EXIT_SUCESS);
}

sched_setaffinity

使用 sched_setaffinity 指定进程运行在 CPU3 这个核心上：

#define CPU_NUM 3

cpu_set_t set;

CPU_ZERO(&set);
CPU_SET(CPU_NUM, &set);
if (sched_setaffinity(getpid(), sizeof(set), &set) < 0) {
    // error handling
}
// set successfully
// do other things

此操作只需在父进程 fork 子进程之前执行即可，子进程默认情况下会和父进程运行在同一个 CPU 核上。

内核启动参数

为了保证指定的 CPU 核上只有用于测试的 2 个用户进程，需要设置 isolcpus 这个启动参数给内核。此参数告诉内核在调度其余用户进程时排除指定的 CPU 核心。

1 2	cat /proc/cmdline # BOOT_IMAGE=... isolcpus=3 ...

重新启动计算机，在进入 GRUB 启动界面时选择启动项并按下 e，进入启动项编辑界面，找到 linux 为开头的一行在行尾添加如下启动参数：

1	isolcpus=3 # 3 代表测试平台中 CPU 的一个核的编号

查看设备 CPU 核心数可在进入系统后命令行执行：

lscpu

或者：

1	cat /proc/cpuinfo

设置完后可以用 stress 命令测试一下：

1 2	sudo pacman -S stress stress --cpu 8

从下图可以看出内核在调度用户进程时绕开了 CPU3（从 0 开始计数）。

Pipe

以上几个步骤保证了在 CPU3 核心上只有用于测试的 2 个用户进程，接下来只需要让内核来回切换（调度）这 2 个测试进程即可。

使用的方法是：创建 2 个 pipe，子进程向 pipe0 写入一个字符然后从 pipe1 读取一个字符，父进程从 pipe0 读取一个字符然后将读取到的字符写入 pipe1，这样重复 N/2 次。当子进程在“等待”读取时内核就执行调度切换到父进程，当父进程在“等待”读取时内核执行调度切换到子进程，所以测试进程一次“读写”完成后内核执行了 2 次上下文切换，既总共完成了 N 次切换。更加直观的过程如题图所示。

结果

在我的平台² 上的测试结果为：操作系统上下文切换平均耗时 3.42 微秒。

源码

注释

_{[1] Operating System: Three Easy Pieces - ARPACI-DUSSEAU}
_{[2] Intel i5-6200U @ 2.3GHz, Arch Linux, Kernel 5.7.7}