使用在单个 CPU 上的两个进程上运行的两个 UNIX 管道测量上下文切换

Question

引用自操作系统：三个简单的 cpu 机制作业（测量） session：

测量上下文切换的成本有点棘手。 lmbench 基准测试通过在单个 CPU 上运行两个进程，并在它们之间设置两个 UNIX 管道来实现； pipe 只是 UNIX 系统中进程可以相互通信的多种方式之一。 然后第一个进程向第一个 pipe 发出写入，并等待第二个读取； 在看到第一个进程等待从第二个 pipe 读取某些内容时，操作系统将第一个进程放入阻塞的 state，然后切换到另一个进程，该进程从第一个 pipe 读取，然后写入第二个。 当第二个进程再次尝试从第一个 pipe 读取时，它会阻塞，因此来回通信循环继续进行。 通过反复测量这样的通信成本，lmbench 可以很好地估计上下文切换的成本。

我的问题是，pipe 本身是否必须由 2 个不同的进程访问？ 或者只是在这种情况下（也在lmbench 工具中）它被不同的进程用来测量上下文切换？ 这是我在github上搜索的一些代码：

#define _GNU_SOURCE
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/time.h>
#include <sched.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
    // measure context switch
    cpu_set_t set;
    CPU_ZERO(&set);
    CPU_SET(0, &set);

    int first_pipefd[2], second_pipefd[2];
    if (pipe(first_pipefd) == -1) {
        perror("pipe");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    if (pipe(second_pipefd) == -1) {
        perror("pipe");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    pid_t cpid = fork();
    if (cpid == -1) {
        perror("fork");
        exit(EXIT_FAILURE);
    } else if (cpid == 0) {    // child
        if (sched_setaffinity(getpid(), sizeof(cpu_set_t), &set) == -1) {
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        for (size_t i = 0; i < nloops; i++) {
            read(first_pipefd[0], NULL, 0);
            write(second_pipefd[1], NULL, 0);
        }
    } else {           // parent
        if (sched_setaffinity(getpid(), sizeof(cpu_set_t), &set) == -1) {
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        gettimeofday(&start, NULL);
        for (size_t i = 0; i < nloops; i++) {
            write(first_pipefd[1], NULL, 0);
            read(second_pipefd[0], NULL, 0);
        }
        gettimeofday(&end, NULL);
        printf("context switch: %f microseconds\n", (float) (end.tv_sec * 1000000 + end.tv_usec - start.tv_sec * 1000000 - start.tv_usec) / nloops);
    }
    return 0;
}

Answer 1

pipe 本身是否必须由 2 个不同的进程访问？

是的，pipe 必须被两个进程访问。 因为，

上下文切换被描述为 kernel 在 CPU 上暂停执行一个进程并恢复执行之前暂停的其他进程。

这些上下文切换有一个“成本”，需要时间来完成。

在每个任务运行之前，CPU 需要知道从哪里加载和启动任务。 这意味着系统需要提前帮助设置 CPU 寄存器和程序计数器。

在上面的示例代码中有一个fork()调用。 这个fork创建了另一个进程，child，parent也恢复执行。 请参见man 2 fork子进程中fork()调用的返回值将为 0，而在父进程中它将是子进程的 pid。

sched_setaffinity用于保证父子都运行在同一个cpu上， CPU_SET(0, &set); 参见man 2 sched_setaffinity这样做是为了强制上下文切换。 否则在今天的多处理器机器中，父进程和子进程可能运行在不同的 CPU 上。

块else if (cpid == 0) {} 将在子进程中执行。 块else {}将在子进程中执行。

parent 向first_pipefd写入数据并被阻塞和挂起，child 恢复执行并从first_pipefd读取数据

然后子进程向second_pipefd写入数据被阻塞挂起，父进程恢复执行并从second_pipefd读取数据

pipe 在被其他进程读取之前阻塞是强制上下文切换的原因。

因此 cpu 在父进程和子进程之间切换上下文nloops次。