Linux系统篇—CPU上下文切换案例假设

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简介

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。

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。

vmstat & pidstat 工具

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。

# 每隔 5 秒输出 1 组数据
vmstat 5
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每列的含义：

• 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。

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，需要使用pidstat -w选项，就可以查看每个进程上下文切换的情况了

每列的含义：

• PID: 进程号
• cswch/s: 表示每秒自愿上下文切换（voluntary context switches）的次数
• nvcswch/s: 表示每秒非自愿上下文切换（non voluntary context switches）的次数。

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。

案例假设

准备

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。在这次案例中，我们把它当成一个异常进程来看待使用，作用是模拟上下文切换过多的问题。

# 安装sysbench、sysstat
apt install sysbench sysstat 或 yum install sysbench sysstat
复制代码

场景一：模拟多线程调度瓶颈

上下文切换排查

1. 在第一个终端里运行sysbench --threads=10 --max-time=300 threads run （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）

2. 在第二个终端运行 vmstat 1 ，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）
   
   对比发现，cs列 的上下文切换次数从之前的 1 骤然上升到了 142 万。同时其他指标：
   r 列：就绪队列的长度已经到了6~8，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近100%，其中系统 CPU 使用率，也就是 sy 列高达 70%，说明 CPU 主要是被内核占用了。
   in 列：中断次数也上升到了 6 万左右，说明中断处理也是个潜在的问题。

   综合这几个指标，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。

3. 在第三个终端再用pidstat -w -u 1 来看一下是什么进程导致了这些问题 （-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，1 每隔 1 秒输出 1 组数据）
   

   从 pidstat 的输出发现，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（nvcswch/s）最高的 pidstat ，以及自愿上下文切换频率较高的内核线程 kworker 和 sshd。

4. pidstat -wt 1 输出的线程上下文切换次数 （ -wt 参数表示输出线程的上下文切换指标）
   第 [3] 步得到的切换次数比 vmstat 的 142 万明显小了太多，因为Linux 调度的基本单位实际上是线程，而场景 sysbench 模拟的是线程的调度问题，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。
   

中断次数与类型排查

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。

通过运行watch -d cat /proc/interrupts，观察中断的变化情 （-d 参数表示高亮显示变化的区域）

观察一段时间，可以发现，变化速度最快的是重调度中断（RES），

重调度中断（RES） : 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-ProcessorInterrupts，IPI）。

每秒上下文切换多少次才算正常

这个数值其实取决于系统本身的 CPU 性能。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。

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。

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