CPU 上下文切换及案例分析

什么是CPU 上下文

我们都知道，Linux是一个多任务操作系统，它远支持大于CPU数量的任务同时运行，当然，这些任务实际上并不是真的在同时运行，而是因为系统在很短时间内，将CPU轮流分配给他们，造成多任务同时运行的错觉。

而在每个任务运行前，CPU都需要知道任务从哪里加载、又从哪里开始运行、也就是说，需要系统事先帮它设置好CPU寄存器和程序计数器（Program Counter、PC）。

CPU寄存器，是CPU内置的容量小、但速度极快的内存。而程序计数器，则是用来存储CPU正在执行的指令位置、或者既将执行的下一条指令位置。它们都是CPU在运行任何任务前，必须的依赖环境，因此也被叫做CPU上下文。

什么是CPU上下文切换

CPU上下文切换就是先把前一个任务的CPU上下文（也就是CPU寄存器和程序计数器）保存起来，然后加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器，最后再跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。

然而这些保存下来的上下文，会存储在系统内核当中，并在任务重新调度执行时再次加载进来。这样就能保证任务原来的状态不受影响。让任务看起来还是连续运行。

CPU上下文切换分为几个不同场景：

进程上下文切换
线程上线文切换
中断上下文切换

进程上下文切换

进程既在用户空间运行，又可以在内核空间运行，进程在用户空间运行时叫做进程的用户态，在内核空间运行时叫做进程的内核态。从用户态到内核态的转变，需要通过系统调用完成。例如：当我们查看文件内容时，就需要多次系统调用完成：首先调用open()打开文件，然后调用read()读取文件内容，并调用write()将内容写到标准输出，最后调用close()关闭文件。

CPU寄存器里原来用户态的指令位置，需要先保存起来，接着，为了执行内核态代码，CPU寄存器需要更新为内核态指令的新位置。最后才跳转到内核态运行内核任务。

而系统调用结束后，CPU寄存器需要恢复原来保存的用户态，然后再切换到用户空间，继续运行进程。所以，一次系统调用的过程，其实发生了两次CPU上下文切换。

不过需要注意的是，系统调用过程中，并不会涉及到虚拟内存等进程用户态的资源，也不会切换进程。这跟我们通常所说的进程上下文切换是不一样的。

进程是由内核来管理和调度的，进程的切换只能发生在内核态，所以，进程的上下文切换不仅包括了虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源，还包括了内核堆栈、寄存器等内核空间的状态。因此进程的上下文切换就比系统调用时多了一步：在保存当前进程的内核态和CPU寄存器之前，需要先把该进程的虚拟内存、栈保存下来。而加载了下一进程的内核态后，还需要刷新进程的虚拟内存和用户栈。

每次上下文切换都需要几十纳秒到数微妙的CPU时间。这个时间还是相对可观的。特别是在进程上下文切换次数较多的情况下，很容易导致CPU将大量时间消耗在寄存器、内核以及虚拟内存等资源的保存和恢复上，进而大大缩短了真正运行进程的时间。

什么会进行进程上下文切换？

显然进程切换时才需要切换上下文，换句话说，只有在进程调度的时候，才需要切换上下文。Linux为每个CPU都维护了一个就绪队列，将活跃进程（既正在运行和正在等待CPU的进程）按照优先级和等到CPU的时间排序，然后选择最需要CPU的进程，也就是优先级最高和等待CPU时间最长的进程运行。

进程什么时候会被调度到CPU上运行？

最容易想到的一个时机，就是进程执行完终止了，它之前使用的CPU会释放出来，这个时候再从就绪队列里，拿一个新的进程过来运行。

为了保证所有进程可以得到公平调度，CPU时间被划分为一段段的时间片，这些时间片再被轮流分配给各个进程，这样，当某个进程的时间片耗尽了，就会被系统挂起，切换到其他正在等待CPU的进程。
进程在系统资源不足（内存不足）时，要等资源满足后才能运行，这个时间进程就会被挂起，并由系统调度到其他进程运行。
当进程通过睡眠函数sleep这样的方法将自己主动挂起时，自然也会被重新调度。
当优先级更高的进程运行时，为了保证高优先级进程的运行，当前进程会被挂起，由高优先级进程来运行。
发生硬件中断时，CPU上的进程会被中断挂起，转而执行内核中的中断服务程序。

当发生上下文切换的问题时候，以上场景便是罪魁祸首。

线程上下文切换

线程和进程的最大区别在于，线程是调度的基本单位，而进程是资源拥有的基本单位。 说白了，所谓内核中的任务调度，实际上调度对象是线程；而进程只是给线程提供了虚拟内存。全局变量等资源。所以，对于线程和进程，我们可以理解：

当进程中只有一个线程，可以认为进程等于线程
当进程拥有多个线程，这些线程会共享相同的虚拟内存和全局变量等资源。这些资源在上下文切换时是不需要修改的
另外，线程也有自己的私有数据，例如栈和寄存器等。这些在上下文切换时也是需要保存的。

这么一来，线程上下文切换分为两种：

前后两个线程属于不同进程，此时，资源不共享，所以切换过程就跟进程上下文切换一样了。
前后两个线程属于同一个进程，此时虚拟内存是共享的，所以在切换时，虚拟内存这些资源保持不动，只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据。

因此也看的出来同样是上下文切换，但线程切换比进程切换消耗的资源要少，这也是为什么多线程代替多进程的原因。

中断上下文切换

为了快速响应硬件的事件，中断处理会打断进程的正常调度和执行。转而调用中断处理程序，相应设备事件。而在打断其他进程时，就需要将进程当前的状态保存下来，这样在中断结束后，进程仍然可以从原来的状态恢复运行。

对于同一个CPU来说，中断处理比进程拥有更高的优先级，所以中断上下文切换并不会与进程上下文切换同时发送。同样道理，又中断会打断正常进程的调度和执行，所以大部分中断处理程序短而精悍，以便快的执行结束。

另外，跟进程上下文切换一样，中断上下文切换也需要消耗CPU，切换次数过多也会耗费大量的CPU，甚至严重降低系统的整体性能。所以当你发现中断次数过多时，就需要注意排查他是否给你的系统带来严重的性能问题。

怎么查看系统的上下文切换情况

这里我们用到一个工具是vmstat，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，也常用分析CPU上下文切换和中断的次数。

例如：下面是一个vmstat的使用示例：

$ vmstat

procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----

 r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st

特别需要关注的四列内容：

cs (context switch) 每秒上下文切换的次数
in (interrupt) 每秒中断的次数
r (Running or Runnable) 就绪队列的长度，也就是正在运行和等待CPU的进程数
b (Blocked) 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，就需要使用pidstat了，给它加上-w选项，就可以看到每个进程上下文切换的情况了

$ pidstat -w

Linux 5.0.-.el7.elrepo.x86_64 (k8s-m1)     //     _x86_64_    ( CPU)

:: PM   UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command

:: PM                    1.00      0.00  systemd

:: PM                  23.35      0.00  rcu_sched

:: PM                   0.40      0.00  migration/

:: PM                   0.40      0.00  migration/

:: PM                   1.60      0.00  ksoftirqd/

:: PM                   0.40      0.00  migration/

:: PM                   0.40      0.00  migration/

:: PM                   0.80      0.00  ksoftirqd/

cswch 自愿上下文切换，是指进程无法获取所需的资源，导致的上下文切换。例如：内存不足、I/O、内存等系统资源不足时，就会发生自愿上下文切换。
nvscwch 非自愿上下文切换，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。例如：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

这里需要安装sysbench和sysstat

我们先查看一下空闲系统的上下文切换

$ vmstat

procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----

 r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st

这里我们可以看到上下文切换cs次数1 ，而中断次数in是0次，r是1次，b是0次。

1、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

sysbench --threads= --max-time= threads run

2、打开第二个终端执行vmstat，来查看上下文切换的情况：

vmstat

procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----

 r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st

可以发现，cs列的上下文切换次数从之前的1骤然上升到122万，同时，观察其他指标：

r列：就绪队列的长度已经到8，远远超过了系统CPU个数4，所有肯定会有大量的CPU竞争。
us(use)和sy(system)列：这两列的CPU使用率加起来上升到100%，其中sy占用了69，说明CPU占用主要被内核占用。
in列：中断次数也上升到了14万，说明中断处理也是一个潜在问题

3、那么到底什么进程导致的呢？我们使用pidstat来查看：

-w 参数表述输出切换进程指标，而-u参数则表示输出CPU指标

$ pidstat -w -u

pidstat -w -u

Linux 5.0.-.el7.elrepo.x86_64 (k8s-m1)     //     _x86_64_    ( CPU)

:: PM   UID       PID    %usr %system  %guest   %wait    %CPU   CPU  Command

:: PM             78.43  259.80    0.00    0.00  338.24       sysbench

:: PM              0.98    0.98    0.00    0.00    1.96       pidstat

:: PM   UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command

:: PM                    1.96      0.00  ksoftirqd/

:: PM                  25.49      0.00  rcu_sched

:: PM                   1.96      0.00  ksoftirqd/

:: PM                   4.90      0.00  ksoftirqd/

:: PM                   0.98      0.00  ksoftirqd/

:: PM                  4.90      0.00  irq/-vmwgfx

:: PM                 19.61      0.00  xfsaild/dm-

:: PM                 2.94      0.00  kworker/:-mpt_poll_0

:: PM                0.98      0.00  kworker/:-cgroup_destroy

:: PM                9.80      0.00  kworker/:-events

:: PM                5.88      0.00  kworker/:-events

:: PM                9.80      0.00  kworker/:-events_power_efficient

:: PM                0.98      2.94  pidstat

从pidstat的输出可以发现，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338.24%。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进程，以及自愿上下文切换最高的内核进程rcu_sched 和xfsaild。

但是奇怪的是，这些上下文切换加起来也不过是上百，相对vmstat给出122万明显太小了。Linux调度基本单位是线程，而我们的场景sysbench模拟的也是线程的调度问题，这里我们在pidstat命令后加上-t参数，才会输出线程的指标。这里我们加上-t参数看一下：

-wt 表示线程的上下文切换指标

$ pidstat -wt

Linux 5.0.-.el7.elrepo.x86_64 (k8s-m1)     //     _x86_64_    ( CPU)

04:43:30 PM   UID      TGID       TID   cswch/s nvcswch/s  Command

.....

:: PM                   -     10.68      0.00  kworker/:-events

:: PM              -          10.68      0.00  |__kworker/:-events

:: PM                   -      6.80      0.00  kworker/:-events

:: PM              -           6.80      0.00  |__kworker/:-events

:: PM              -       19025.24 102404.85  |__sysbench

:: PM              -       14672.82 115592.23  |__sysbench

:: PM              -       26851.46  86365.05  |__sysbench

:: PM              -       22433.01  82524.27  |__sysbench

:: PM              -       22068.93  97069.90  |__sysbench

:: PM              -       19461.17  86481.55  |__sysbench

:: PM              -       19924.27  97433.98  |__sysbench

:: PM              -       19314.56 109954.37  |__sysbench

:: PM              -       21337.86 101930.10  |__sysbench

:: PM              -       19534.95  96892.23  |__sysbench

:: PM                   -      0.97      8.74  pidstat

:: PM              -           0.97      8.74  |__pidstat

这样我们可以看到上下文切换便是罪魁祸首。

我们看到上下文切换就结束了吗？并不是，我们前面还看到中断次数的提高，到底是什么类型的中断次数提升了，我们还不知道。

既然是中断次数，我们都知道这是发生在内核态，而pidstat只是一个进程的分析工具，并不提供任何关于中断的详细信息，怎么才知道中断发生了什么呢？

这里我们从/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，用于内核空间和用户空间之间的通信，/proc/interrupts就是通信的一部分，提供了一个只读中断使用情况。

# -d 参数表示高亮显示变化的区域
$ watch -d cat /proc/interrupts

....

RES:       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。这是多处理器（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中断。

性能问题分析：

自愿上下文切换多了，说明进程都在等待资源，有可能发生了I/O等其他的问题。
非自愿上下文切换多了，说明进程都在被强制调度，也就是争抢CPU，说明CPU资源不足
中断次数多了，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

什么时候会切换进程上下文