CPU上下文切换(下)

CPU上下文切换(下)

一、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。

1.1、查询工具01【 ​​vmstat​​ - 系统总体 】

说明：

​​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。

比如：

# 每隔5秒输出1组数据$ vmstat 5procs -----------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 7005360 91564 818900 0 0 0 0 25 33 0 0 100 0 0

重点强调特别关注的四列内容

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。

可以看到，这个例子中的上下文切换次数 cs 是 33 次，而系统中断次数 in 则是 25 次，而就绪队列长度 r 和不可中断状态进程数 b 都是 0。

1.2、查询工具02【 ​​pidstat​​ - 针对进程 】

说明：1、​​​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。2、加上​​w​​ 选项，可以查看每个进程上下文切换的情况

比如：

# 每隔5秒输出1组数据$ pidstat -w 5Linux 4.15.0 (ubuntu) 09/23/18 _x86_64_ (2 CPU)08:18:26 UID PID cswch/s nvcswch/s Command08:18:31 0 1 0.20 0.00 systemd08:18:31 0 8 5.40 0.00 rcu_sched...

结果分析

两个重点关注对象

一是 ​​cswch​​，表示每秒自愿上下文切换（voluntary context switches）的次数，另一个则是 ​​nvcswch​​

两个概念需要牢记，它们意味着不同的性能问题

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。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

二、案例分析

问题：上下文切换频率是多少次才算正常？

2.1、准备

​​sysbench​​工具，模拟系统多线程调度切换的情况

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。

2.2、系统环境

Linux系统（Ubuntu 18.04、CentOS 7.x）机器配置：2 CPU、8GB 内存预先安装 sysbench 和 sysstat 包，如​​apt install sysbench sysstat​​注意：所有命令，默认以 root 用户运行，普通用户清闲 sudo su root 切换到 root 用户安装完成后，可以先用 vmstat 看下空闲系统的上下文切换次数

# 间隔1秒后输出1组数据$ vmstat 1 1procs -----------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 6984064 92668 830896 0 0 2 19 19 35 1 0 99 0 0

现在的上下文切换次数 cs 是 35，而中断次数 in 是 19，r 和 b 都是 0。因为这会儿我并没有运行其他任务，所以它们就是空闲系统的上下文切换次数。

2.3、操作分析

2.3.1、终端一：运行 ​​sysbench​​，模拟多线程调度的瓶颈

# 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$ sysbench --threads=10 --max-time=300 threads run

2.3.2、终端二：运行 vmstat ，观察上下文切换情况

# 每隔1秒输出1组数据（需要Ctrl+C才结束）$ vmstat 1procs -----------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 6487428 118240 1292772 0 0 0 0 9019 1398830 16 84 0 0 0 8 0 0 6487428 118240 1292772 0 0 0 0 10191 1392312 16 84 0 0 0

cs 列的上下文切换次数从之前的 35 骤然上升到了 139 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 84%，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。

2.3.3、到底哪个进程导致的这些问题？终端三：再用​​pidstat​​来看下，CPU和进程上下文切换情况

# 每隔1秒输出1组数据（需要 Ctrl+C 才结束）# -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$ pidstat -w -u 108:06:33 UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command08:06:34 0 10488 30.00 100.00 0.00 0.00 100.00 0 sysbench08:06:34 0 26326 0.00 1.00 0.00 0.00 1.00 0 kworker/u4:208:06:33 UID PID cswch/s nvcswch/s Command08:06:34 0 8 11.00 0.00 rcu_sched08:06:34 0 16 1.00 0.00 ksoftirqd/108:06:34 0 471 1.00 0.00 hv_balloon08:06:34 0 1230 1.00 0.00 iscsid08:06:34 0 4089 1.00 0.00 kworker/1:508:06:34 0 4333 1.00 0.00 kworker/0:308:06:34 0 10499 1.00 224.00 pidstat08:06:34 0 26326 236.00 0.00 kworker/u4:208:06:34 1000 26784 223.00 0.00 sshd

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 100%。但上下文切换则是来自其他进程，包括非自愿上下文切换频率最高的 pidstat ，以及自愿上下文切换频率最高的内核线程 kworker 和 sshd。

怪异的事：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？

在怀疑工具之前，我们再来回想一下，前面讲到的几种上下文切换场景。其中有一点提到， Linux 调度的基本单位实际上是线程，而我们的场景 sysbench 模拟的也是线程的调度问题，那么，是不是 pidstat 忽略了线程的数据呢？

通过运行 man pidstat ，你会发现，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。

2.3.4、终端三：​​Ctrl + C​​ 停止刚才 ​​pidstat​​ 命令，再加上 ​​-t​​ 参数

# 每隔1秒输出一组数据（需要 Ctrl+C 才结束）# -wt 参数表示输出线程的上下文切换指标$ pidstat -wt 108:14:05 UID TGID TID cswch/s nvcswch/s Command...08:14:05 0 10551 - 6.00 0.00 sysbench08:14:05 0 - 10551 6.00 0.00 |__sysbench08:14:05 0 - 10552 18911.00 103740.00 |__sysbench08:14:05 0 - 10553 18915.00 100955.00 |__sysbench08:14:05 0 - 10554 18827.00 103954.00 |__sysbench...

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。

2.3.5、中断分析

虽然已经找到了上下文切换次数增多的根源，但前面在观察系统指标时，出了上下文切换率骤然升高，还有一个指标也有很大的变化。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。继续分析 ~

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？

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。

2.3.6、终端三：​​Ctrl+C​​ 停止刚才的 ​​pidstat​​ 命令，然后运行下面的命令，观察中断的变化情况

# -d 参数表示高亮显示变化的区域$ watch -d cat /proc/interrupts CPU0 CPU1...RES: 2450431 5279697 Rescheduling interrupts...

观察一段时间，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。

三、每秒上下文切换多少次算正常？

这个数值其实取决于系统本身的 CPU 性能。 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

1、通过 sysbench 案例，分析上下文切换问题思路。

2、碰到切换次数过多的问题时，可以借助 ​​vmstat​​​、​​pidstat​​和​​/proc/interrupts​​等工具，来辅助排查性能问题的根源。

本节思维导图

版权声明：本文内容由网络用户投稿，版权归原作者所有，本站不拥有其著作权，亦不承担相应法律责任。如果您发现本站中有涉嫌抄袭或描述失实的内容，请联系我们jiasou666@gmail.com 处理，核实后本网站将在24小时内删除侵权内容。