2.2 CPU 上下文切换是什么意思？（下）
怎么查看系统的上下文切换情况
过多的上下文切换，会把 CPU 时间消耗在寄存器、内核栈以及虚拟内存等数据的保存和恢复上，缩短进程真正运行的时间，成了系统性能大幅下降的一个 元凶。
使用 vmstat 这个工具，来查询系统的上下文切换情况。
vmstat 是一个常用的系统性能分析工具，主要用来分析系统的内存使用情况，也常用来分析 CPU 上下文切换和中断的次数。
vmstat 的使用示例：
[root@doit ~]# vmstat 5
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st
0 0 0 1068760 120384 612716 0 0 0 0 57 98 0 0 100 0 0 cs（context switch）是每秒上下文切换的次数。
in（interrupt）则是每秒中断的次数。
r（Running or Runnable）是就绪队列的长度，也就是正在运行和等待 CPU 的进程数。
b（Blocked）则是处于不可中断睡眠状态的进程数。 这个例子中的上下文切换次数 cs 是 98 次，而系统中断次数 in 则是 57 次，而就绪队列长度 r 和不可中断状态进程数 b 都是 0。
vmstat 只给出了系统总体的上下文切换情况，要想查看每个进程的详细情况，就需要使用我们前面提到过的 pidstat 了。给它加上 -w 选项，你就可以查看每个进程上下文切换的情况了。
每隔 5 秒输出 1 组数据
[root@doit ~]# pidstat -w 5
Linux 4.20.0-1.el7.elrepo.x86_64 (doit) 07/12/2019 _x86_64_ (2 CPU) 04:28:40 PM UID PID cswch/s nvcswch/s Command
04:28:45 PM 0 9 0.20 0.00 ksoftirqd/0
04:28:45 PM 0 10 2.00 0.00 rcu_sched
04:28:45 PM 0 11 0.40 0.00 migration/0
04:28:45 PM 0 15 0.40 0.00 migration/1
04:28:45 PM 0 27 0.20 0.00 khugepaged
04:28:45 PM 0 3086 0.20 0.00 haveged
04:28:45 PM 0 3104 9.98 0.00 qemu-ga
04:28:45 PM 0 3492 1.00 0.00 httpd
04:28:45 PM 0 6094 0.40 0.00 python
04:28:45 PM 0 29541 5.39 0.00 kworker/1:0-events_power_efficient
04:28:45 PM 0 29590 1.40 0.00 kworker/0:1-events
04:28:45 PM 0 29716 0.20 0.20 pidstat 一个是 cswch ，表示每秒自愿上下文切换（voluntary context switches）的次数，另一个则是 nvcswch ，表示每秒非自愿上下文切换（non voluntary context switches）的次数。
所谓自愿上下文切换，是指进程无法获取所需资源，导致的上下文切换。比如说， I/O、内存等系统资源不足时，就会发生自愿上下文切换。
而非自愿上下文切换，则是指进程由于时间片已到等原因，被系统强制调度，进而发生的上下文切换。比如说，大量进程都在争抢 CPU 时，就容易发生非自愿上下文切换。
案例分析
上下文切换频率是多少次才算正常呢？
sysbench 是一个多线程的基准测试工具，一般用来评估不同系统参数下的数据库负载情况。当然，在这次案例中，我们只把它当成一个异常进程来看，作用是模拟上下文切换过多的问题。
预先安装 sysbench 和 sysstat 包，如 apt install sysbench sysstat
操作和分析
首先，在第一个终端里运行 sysbench ，模拟系统多线程调度的瓶颈：
# 以 10 个线程运行 5 分钟的基准测试，模拟多线程切换的问题
[root@doit ~]# sysbench --threads=10 --max-time=300 threads run
WARNING: --max-time is deprecated, use --time instead
sysbench 1.0.17 (using system LuaJIT 2.0.4) Running the test with following options:
Number of threads: 10
Initializing random number generator from current time Initializing worker threads... Threads started!
在第二个终端运行 vmstat ，观察上下文切换情况：
[root@doit ~]# vmstat 1
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st
6 0 0 1066924 120388 612752 0 0 0 0 7 3 0 0 100 0 0
8 0 0 1066924 120388 612768 0 0 0 0 2472 1695514 17 82 1 0 0
8 0 0 1066924 120388 612768 0 0 0 0 3062 1847851 17 83 1 0 0
7 0 0 1066924 120388 612768 0 0 0 0 2093 1696907 16 82 2 0 0
cs 列的上下文切换次数从之前的 3 骤然上升到了 169 万。同时，注意观察其他几个指标：
r 列：就绪队列的长度已经到了 8，远远超过了系统 CPU 的个数 2，所以肯定会有大量的 CPU 竞争。
us（user）和 sy（system）列：这两列的 CPU 使用率加起来上升到了 100%，其中系统 CPU 使用率，也就是 sy 列高达 83%，说明 CPU 主要是被内核占用了。
in 列：中断次数也上升到了 1 万左右，说明中断处理也是个潜在的问题。
综合这几个指标，我们可以知道，系统的就绪队列过长，也就是正在运行和等待 CPU 的进程数过多，导致了大量的上下文切换，而上下文切换又导致了系统 CPU 的占用率升高。
那么到底是什么进程导致了这些问题呢？
在第三个终端再用 pidstat 来看一下， CPU 和进程上下文切换的情况
# 每隔 1 秒输出 1 组数据
-w 参数表示输出进程切换指标，而 -u 参数则表示输出 CPU 使用指标 [root@doit ~]# pidstat -w -u 1
Linux 4.20.0-1.el7.elrepo.x86_64 (doit) 07/12/2019 _x86_64_ (2 CPU) 04:38:35 PM UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command
04:38:36 PM 0 29730 33.00 167.00 0.00 0.00 200.00 0 sysbench 04:38:35 PM UID PID cswch/s nvcswch/s Command
04:38:36 PM 0 10 3.00 0.00 rcu_sched
04:38:36 PM 0 16 1.00 0.00 ksoftirqd/1
04:38:36 PM 0 3104 10.00 0.00 qemu-ga
04:38:36 PM 0 3492 1.00 0.00 httpd
04:38:36 PM 0 29541 14.00 0.00 kworker/1:0-events_power_efficient
04:38:36 PM 0 29590 2.00 0.00 kworker/0:1-mm_percpu_wq
04:38:36 PM 0 29640 1.00 0.00 sshd
04:38:36 PM 0 29714 1.00 0.00 kworker/u4:0-events_unbound
04:38:36 PM 0 29742 1.00 0.00 pidstat
从 pidstat 的输出你可以发现，CPU 使用率的升高果然是 sysbench 导致的，它的 CPU 使用率已经达到了 200%。但上下文切换则是来自其他进程，自愿上下文切换频率最高的内核线程 kworker。
pidstat 输出的上下文切换次数，加起来也就几百，比 vmstat 的 139 万明显小了太多。这是怎么回事呢？难道是工具本身出了错吗？
pidstat 默认显示进程的指标数据，加上 -t 参数后， 才会输出线程的指标。
[root@doit ~]# pidstat -wt 1
Linux 4.20.0-1.el7.elrepo.x86_64 (doit) 07/12/2019 _x86_64_ (2 CPU) 04:45:02 PM UID TGID TID cswch/s nvcswch/s Command
04:45:03 PM 0 9 - 2.91 0.00 ksoftirqd/0
04:45:03 PM 0 - 9 2.91 0.00 |__ksoftirqd/0
04:45:03 PM 0 10 - 10.68 0.00 rcu_sched
04:45:03 PM 0 - 10 10.68 0.00 |__rcu_sched
04:45:03 PM 0 16 - 0.97 0.00 ksoftirqd/1
04:45:03 PM 0 - 16 0.97 0.00 |__ksoftirqd/1
04:45:03 PM 0 3104 - 9.71 0.00 qemu-ga
04:45:03 PM 0 - 3104 9.71 0.00 |__qemu-ga
04:45:03 PM 0 - 3820 0.97 0.00 |__tuned
04:45:03 PM 0 6094 - 0.97 0.00 python
04:45:03 PM 0 - 6094 0.97 0.00 |__python
04:45:03 PM 0 - 14238 0.97 0.00 |__node
04:45:03 PM 0 29590 - 1.94 0.00 kworker/0:1-mm_percpu_wq
04:45:03 PM 0 - 29590 1.94 0.00 |__kworker/0:1-mm_percpu_wq
04:45:03 PM 0 - 29768 20572.82 100301.94 |__sysbench
04:45:03 PM 0 - 29769 18718.45 110695.15 |__sysbench
04:45:03 PM 0 - 29770 22306.80 104282.52 |__sysbench
04:45:03 PM 0 - 29771 26055.34 86372.82 |__sysbench
04:45:03 PM 0 - 29772 20498.06 102583.50 |__sysbench
04:45:03 PM 0 - 29773 14956.31 81900.00 |__sysbench
04:45:03 PM 0 - 29774 29092.23 112430.10 |__sysbench
04:45:03 PM 0 - 29775 24825.24 110958.25 |__sysbench
04:45:03 PM 0 - 29776 23862.14 95394.17 |__sysbench
04:45:03 PM 0 - 29777 21125.24 87931.07 |__sysbench
04:45:03 PM 0 29780 - 12.62 0.00 kworker/1:1-events_power_efficient
04:45:03 PM 0 - 29780 12.62 0.00 |__kworker/1:1-events_power_efficient
04:45:03 PM 0 29783 - 0.97 1.94 pidstat
04:45:03 PM 0 - 29783 0.97 1.94 |__pidstat
虽然 sysbench 进程（也就是主线程）的上下文切换次数看起来并不多，但它的子线程的上下文切换次数却有很多。看来，上下文切换罪魁祸首，还是过多的sysbench 线程。
在观察系统指标时，除了上下文切换频率骤然升高，还有一个指标也有很大的变化。是的，正是中断次数。中断次数也上升到了 1 万，但到底是什么类型的中断上升了，现在还不清楚。接下来继续抽丝剥茧找源头。既然是中断，我们都知道，它只发生在内核态，而 pidstat 只是一个进程的性能分析工具，并不提供任何关于中断的详细信息，怎样才能知道中断发生的类型呢？
没错，那就是从 /proc/interrupts 这个只读文件中读取。/proc 实际上是 Linux 的一个虚拟文件系统，用于内核空间与用户空间之间的通信。/proc/interrupts 就是这种通信机制的一部分，提供了一个只读的中断使用情况。
[root@doit ~]# watch -d cat /proc/interrupts
Every 2.0s: cat /proc/interrupts Fri Jul 12 16:49:08 2019
CPU0 CPU1
LOC: 83008310 107586288 Local timer interrupts
SPU: 0 0 Spurious interrupts
PMI: 0 0 Performance monitoring interrupts
IWI: 0 1 IRQ work interrupts
RTR: 0 0 APIC ICR read retries
RES: 9169892 7079828 Rescheduling interrupts
观察一段时间，你可以发现，变化速度最快的是重调度中断（RES），这个中断类型表示，唤醒空闲状态的 CPU 来调度新的任务运行。这是多处理器系统（SMP）中，调度器用来分散任务到不同 CPU 的机制，通常也被称为处理器间中断（Inter-Processor Interrupts，IPI）。所以，这里的中断升高还是因为过多任务的调度问题，跟前面上下文切换次数的分析结果是一致的。
现在再回到最初的问题，每秒上下文切换多少次才算正常呢？
这个数值其实取决于系统本身的 CPU 性能。在我看来，如果系统的上下文切换次数比较稳定，那么从数百到一万以内，都应该算是正常的。但当上下文切换次数超过一万次，或者切换次数出现数量级的增长时，就很可能已经出现了性能问题。
这时，你还需要根据上下文切换的类型，再做具体分析。比方说：
自愿上下文切换变多了，说明进程都在等待资源，有可能发生了 I/O 等其他问题；
非自愿上下文切换变多了，说明进程都在被强制调度，也就是都在争抢 CPU，说明 CPU 的确成了瓶颈；
中断次数变多了，说明 CPU 被中断处理程序占用，还需要通过查看 /proc/interrupts 文件来分析具体的中断类型。
小结
通过一个 sysbench 的案例，给你讲了上下文切换问题的分析思路。碰到上下文切换次数过多的问题时，我们可以借助 vmstat 、 pidstat 和 /proc/interrupts 等工具，来辅助排查性能问题的根源。
首先通过uptime查看系统负载，然后使用mpstat结合pidstat来初步判断到底是cpu计算量大还是进程争抢过大或者是io过多，接着使用vmstat分析切换次数，以及切换类型，来进一步判断到底是io过多导致问题还是进程争抢激烈导致问题。
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