要解决的问题

通过什么方式实现上下文的切换，并且方便测量时间。
如何保证在具有多个CPU的系统中，保证上下文切换的进程处于同一个处理器上

上下文切换的方式

利用两个管道，测量在父子进程之间互相切换的时间成本，具体流程见下图

[管道的介绍](Linux管道通信 | SnowDawn’Home)

使用双管道在父子进程之间相互切换

父进程向管道Pi1 写入获取到的开始时的时间，使用gettimeofday()函数
父进程从Pi2 读取，但是此时的Pi2 中还没有内容写入，所以父进程陷入等待，系统切换到子进程
子进程从Pi1 中读取开始的时间，并且记录此时的时间，与开始的时间相减，输出切换的时间
子进程向Pi2 中写入开始时间，此时切换到等待读取的子进程，再次算出一个切换时间

使切换进程保证在同一个处理器上

使用sched_seaffinity()调用实现，该函数的参数比较复杂，这里只是简单的使用，没有详细的研究与介绍。

测量程序代码(标明在注释中)

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

#define errExit(msg)        \
    do                      \
    {                       \
        perror(msg);        \
        exit(EXIT_FAILURE); \
    } while (0)

int main()
{
    cpu_set_t set;           // cpu_set_t是一个用来存放CPU的集合的结构体
    int parentCPU, childCPU; //
    parentCPU = 0;
    childCPU = 0; //设置父进程和子进程的CPU核心

    CPU_ZERO(&set); //将CPU核心集合清零
    int pi1[2];     //父进程和子进程的管道
    int pi2[2];
    char buf1[30], buf2[30]; //父进程和子进程的管道缓冲区
    int p1 = pipe(pi1);      //创建父进程和子进程的管道
    int p2 = pipe(pi2);
    long temptime;
    struct timeval start, end; //记录时间
    int i;
    if (p1 < 0 || p2 < 0) //判断管道是否创建成功
        errExit("pipe");
    int rc = fork();         //创建子进程
    for (i = 0; i < 10; ++i) //循环测试十次
    {
        if (rc < 0) //判断子进程是否创建成功
        {
            fprintf(stderr, "fork failed");
            exit(1);
        }
        else if (rc == 0)
        {
            CPU_SET(childCPU, &set); //将子进程的CPU核心设置为childCPU
            if (sched_setaffinity(getpid(), sizeof(set), &set) == -1)
                errExit("sched_setaffinity");         //设置CPU核心
            read(pi1[0], buf1, 25);                   //读取父进程的数据
            gettimeofday(&end, NULL);                 //获取结束时间
            printf("%d\n", end.tv_usec - atol(buf1)); //输出时间差
            gettimeofday(&start, NULL);               //获取开始时间
            sprintf(buf2, "%ld", start.tv_usec);      //将开始时间转换为字符串
            write(pi2[1], buf2, 25);                  // 将开始时间写入管道
        }
        else
        {
            CPU_SET(parentCPU, &set); //将父进程的CPU核心设置为parentCPU
            if (sched_setaffinity(getpid(), sizeof(set), &set) == -1)
                errExit("sched_setaffinity");         //设置CPU核心
            gettimeofday(&start, NULL);               //获取开始时间
            sprintf(buf1, "%ld", start.tv_usec);      //将开始时间转换为字符串
            write(pi1[1], buf1, 25);                  // 将开始时间写入管道
            read(pi2[0], buf2, 25);                   // 读取子进程的数据
            gettimeofday(&end, NULL);                 //获取结束时间
            printf("%d\n", end.tv_usec - atol(buf2)); //输出时间差
        }
    }
    return 0;
}

测试程序的运行结果如下

对测试结果的分析

在十次循环的测量中，开始的一次和最后的一次测量时间较长，具体为何会出现这样的情况有以下猜测：

对于刚创建的子进程，还未进入到系统的缓存，进程之间的切换较慢。
对于最后一次测量上下文切换时间，待解决，择日向老师请教。

另，此测试程序得到的结果并不只是上下文切换的时间，还包括对读和写的系统调用，将字符串转化为数字，设置cpu亲和度的调用等时间，根据之前对系统调用的测量，并且忽略其他细小的时间消耗，该系统的上下文切换时间应该在 4 – 5 微秒。

SnowDawn'Home

上下文切换成本测量