Linux深度分析-上下文切换

CPU上下文切换是保证Linux系统正常工作的一个核心功能，按照不同场景，可以分为进程上下文切换，线程上下文切换和中断上下文切换。

今天我们就来看，究竟怎么分析CPU上下文切换的问题。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。

既然上下文切换对系统性能影响那么大，你肯定迫不及待想知道，到底要怎么查看上下文切换呢？在这里，我们可以使用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。

我们一起来看这个结果，你可以先试着自己解读每列的含义。在这里我重点强调下，需要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。

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 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。

这个结果中有两列内容是我们的重点关注对象，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。这两个概念你一定要牢牢记住，因为它们意味着不同的性能问题

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。

案例分析知道了怎么查看这些指标，另一个问题又来了，上下文切换频率是多少次才算正常呢？别急着要答案，同样的，我们先来看个上下文切换的案例。

我们将使用 sysbench 来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。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。

我使用的案例环境如下所示

机器配置 2 CPU，8GB 内存

预先安装 sysbench 和 sysstat 包，如 apt install sysbench sysstat

正式操作开始前，你需要打开三个终端，登录到同一台 Linux机器中，并安装好上面提到的两个软件包。另外注意，下面所有命令，都默认以root 用户运行。安装完成后，你可以先用 vmstat 看一下空闲系统的上下文切换次数

接下来，我们正式进入实战操作。首先，在第一个终端里运行 sysbench，模拟系统多线程调度的瓶颈

接着，在第二个终端运行 vmstat ，观察上下文切换情况

你应该可以发现，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。

那么到底是什么进程导致了这些问题呢？我们继续分析，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

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。

不过，细心的你肯定也发现了一个怪异的事儿 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

别着急，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。

所以，我们可以在第三个终端里，Ctrl+C停止刚才的pidstat命令，再加上-t参数，重试一下看看

现在你就能看到了，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。我们已经找到了上下文切换次数增多的根源，那是不是到这儿就可以结束了呢?

当然不是。不知道你还记不记得，前面在观察系统指标时，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。

我们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。我们还是在第三个终端里，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

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 lnterrupts，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。

通过这个案例，你应该也发现了多工具、多方面指标对比观测的好处。如果最开始时，我们只用了pidstat 观测，这些很严重的上下文切换线程，压根儿就发现不了了。

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，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。