# 第 6 章实验：一次系统调用、一次上下文切换，到底要多久？

原书第 6 章的作业（Homework (Measurement)）：测量系统调用和上下文切换的开销。

```bash
cd labs/06-lde
make          # 编译 timer syscall ctxsw（-O2）
make run      # 依次运行全部测量
```

## 1. `./timer` —— 先认识你的计时器

连续两次调用 `gettimeofday()`，绝大多数时候读数**完全相同** —— 它只精确到微秒，而一次系统调用只要几百纳秒。
所以原书说：要测一个很短的操作，必须**重复成千上万次**，再用总时间除以次数。
`clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC)` 精确到纳秒，x86 上还可以用 `rdtsc` 直接读 CPU 周期计数器。

## 2. `./syscall [次数]` —— 系统调用的开销

- **普通函数调用**：几纳秒。
- **`clock_gettime`**：几十纳秒。它**不是真的系统调用**：Linux 把它放在映射到用户空间的 vDSO 里完成，不需要陷入内核。
- **`getppid()`、`read(fd, buf, 0)`**：几百纳秒。这才是真正的 trap → 内核 → return-from-trap 往返，
  比普通函数调用贵上百倍：要保存/恢复寄存器、切换特权级、查系统调用表、检查参数，还有现代 CPU 的安全缓解措施（如页表隔离）带来的额外成本。

## 3. `./ctxsw [来回次数] [CPU编号]` —— 上下文切换的开销

仿照 lmbench：两个进程用两根管道打乒乓。一方 `write` 后立刻 `read` 另一根管道而阻塞，
操作系统只好把它从 CPU 上换下、换上另一方 —— 每个来回恰好 2 次上下文切换。

- 第二个参数是 CPU 编号，程序用 `sched_setaffinity()` 把父子进程都绑到这个 CPU 上（默认 0）；传 `-1` 表示不绑定。
  多核机器上如果不绑定，两个进程可能在两个 CPU 上各跑各的，测到的就不是"在同一个 CPU 上停下一个、恢复另一个"的成本了。
- 程序还在单个进程里测了 4 次管道读写（不会阻塞、没有切换）作为基线，`(来回 - 基线) / 2` 即单次切换的估计值。
  这个估计里还包含了调度器选下一个进程、唤醒等开销，以及切换后缓存/TLB 变"冷"的间接代价。

## 示例输出（WSL2 上的一次运行；你的机器上数字会不同，同一台机器多跑几次也会波动）

```
$ ./syscall
普通函数调用            :     3.9 ns/次
clock_gettime (vDSO)    :    24.1 ns/次  ← 看起来像系统调用，其实没进内核
getppid()   系统调用    :   298.8 ns/次
read(fd,buf,0) 系统调用 :   456.8 ns/次  (重复 2000000 次)

$ ./ctxsw 200000 0
绑定 CPU        : 父子进程都绑在 CPU 0 上
来回次数        : 200000
每个来回        :   22.70 us（2 次切换 + 4 次管道读写）
管道读写基线    :    4.63 us（同一进程内 4 次管道读写，无切换）
估算单次上下文切换:  9.03 us = (来回 - 基线) / 2
```

原书（1996 年，200 MHz P6，Linux 1.3.37）：系统调用约 4 µs，上下文切换约 6 µs；书中说现代系统可以做到亚微秒级。
WSL2 运行在 Hyper-V 虚拟机里，系统调用和切换都要额外付出虚拟化与安全缓解措施的代价，所以数字比裸机 Linux 大。