系统调用开销

Question

我刚刚开始研究系统调用。我想知道当进行系统调用时是什么导致了开销。

例如，如果我们考虑getpid（），当系统调用getpid（）时，我的猜测是，如果控件当前位于子进程中，则必须进行上下文切换才能进入父进程以获取pid。这会导致间接费用吗？

此外，当调用getpid（）时，会有一些元数据跨用户空间边界传输，并进入和退出内核。那么，用户空间和内核之间的不断切换也会导致一些开销吗？

Answer 1

请原谅泛化（而不是限定每个句子）。

对系统服务的调用（例如返回流程信息）具有用户模式shell。这个shell触发一个异常，该异常通过调用内核模式系统服务的系统调度表进行路由。

切换到内核模式需要类似于进程上下文切换的东西。例如，它需要从用户堆栈更改为kern堆栈（以及其他依赖于系统的更改）。

调用进程提供用户模式返回缓冲区。出于安全目的，系统系统服务将在写入响应数据之前检查以确保它是有效的用户模式缓冲区。

像getpid这样只返回当前进程信息的库函数可能不需要切换到内核模式。

Answer 2

例如，如果我们考虑getpid（），当系统调用getpid（）时，我的猜测是，如果控件当前位于子进程中，则必须进行上下文切换才能进入父进程以获取pid。

这里不需要对子进程的上下文切换——内核应该拥有所有必要的数据。在大多数情况下，内核只会将上下文切换到调度程序中的用户空间进程，或者从系统调用返回时。

同样当调用getpid（）时，会有一些元数据跨越用户空间边界的传输，进入和退出内核，那么用户空间和内核之间的不断切换是否也会造成一些开销呢？

是的，如果经常调用getpid（），开销肯定会增加。有一些方法可以避免简单的“getter”系统调用的这种开销，如getpid（）和gettimeofday（）；在Linux下使用的一种方法是将系统调用的（已知）结果存储在一个特殊的内存页中。（此机制称为vsyscall。）

Answer 3

我在x86-64 Linux（使用-O3编译）上做了一些更精确的基准测试：

ns    relative(rounded) function
4.89  1      regular_function  //just a value return
6.05  1      getpid   //glibc caches this one (forks invalidate the cached value)
17.7  4      sysconf(_SC_PAGESIZE)
22.6  5      getauxval(AT_EUID)
25.4  5      sysconf(_SC_NPROCESSORS_ONLN)
27.1  6      getauxval(AT_UID)
54.1  11     gettimeofday
235   48     geteuid
261   53     getuid
264   54     getppid
314   64     sysconf(_SC_OPEN_MAX)
622   127    pread@0 // IO funcs benchmarked with 1 bytes quantities
638   130    read    // through a 1 Gigabyte file
1690  346    write
1710  350    pwrite@0

最便宜的“系统调用”是通过辅助向量（约20–30ns）进行的调用。中间的调用（大约250–310ns）应该最准确地反映平均开销，因为内核中应该没有太多的工作要做。

为了进行比较，具有小大小请求的malloc-free对(

https://softwareengineering.stackexchange.com/questions/311165/why-isnt-there-generic-batching-syscall-in-linux-bsd/350173对如何最小化系统调用开销有一些有趣的想法。