关于linux系统CPU篇--->上下文切换

1.什么是CPU上下文切换？

linux是一个多任务操作系统，它支持远大于CPU数量的任务同时运行，当然这些任务实际上并不是真的同时在运行，而是因为系统在很短的时间内，将CPU轮流分配给它们，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。

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

CPU的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。

2.上下文切换的类型?(按照任务不同区分)

(1).进程上下文切换(不同进程之间上下文切换)

(2).线程上下文切换,包括同一个进程下线程上下文切换，不同进程下线程上下文切换

(3).中断上下文切换，即中断程序导致的上下文切换

(4).自愿上下文切换(cswch)，是指进程无法获取所需资源，导致的上下文切换

(5).非自愿上下文切换(nvcswch)，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，比如大量进程都在争抢CPU时，就容易发生非自愿上下文切换

3.Linux中如何查看上下文切换？

vmstat中cs, 表示每秒上下文切换的次数

pidstat(pidstat -w 5),查看每个进程的上下文切换情况，cswch表示每秒自愿上下文切换次数，nvcswch表示每秒非自愿上下文切换的次数

4.上下文切换的场景：

(1).进程上下文切换场景：

1.为了保证所有进程得到公平调度，CPU时间被划分成一段段的时间片，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时，就会被系统挂起，切换到其他正在等待CPU的进程运行(即进程由于时间片已到，导致的进程上下文切换)

2.进程的系统资源不足(比如内存不足时)，要等到资源满足后才可以运行，这个时候进程会被挂起，并由系统调度其他进程运行

3.进程通过睡眠函数sleep将自己主动挂起，自然也会重新调度

4.当有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。

5.发生硬中断时，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

进程上下文切换次数较多的情况下，很容易导致CPU将大量时间耗费在寄存器，内核栈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。这也是导致平均负载升高的一个重要因素

(2).线程上下文切换：

线程与进程的最大区别在于，线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位。所谓内核中的任务调度，调度对象是线程，而不是进程，进程只是给线程提供了虚拟内存，全局变量等资源。对于进程和线程可以

这么理解：

1.当进程只有一个线程时，可以认为进程就等于线程

2.当进程拥有多个线程时，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。

3.线程也有自己的私有数据，比如栈和寄存器，这些在上下文切换时也是需要保存的。

线程的上下文切换就可以分为两种情况：

1.前后两个线程属于不同进程，此时，因为资源不共享，所以切换过程就跟进程上下文切换一样

2.前后两个线程属于同一个进程，因为虚拟内存是共享的，所以在切换时，虚拟内存这些资源就保存不动，只需要切换线程的私有数据，寄存器等不共享数据

虽然同为上下文切换，但同进程内的上下文切换，要比多进程间的切换消耗更少的资源，而这也是多线程代替多进程的一个优势。

5.上下文切换升高导致的性能问题(案例场景)：

1.准备工作：安装sysbench，准备linux环境，开启3个终端，切换root用户运行

2.操作步骤：

1.在第一个终端运行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.在第二个终端运行vmstat，观察上下文切换的情况:

# 每隔 1 秒输出 1 组数据（需要 Ctrl+C 才结束）
       $ 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 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

从vmstat的输出可以发现，cs列的上下文切换次数上升到139万，同时，注意观察其他几个指标：

(1).R列，就绪队列的长度已经到了8，远远超过CPU个数，所以肯定会有大量的CPU竞争

(2).us和sy,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主要被内核占用

(3).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，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使用率升高。

那么，到底是什么进程导致了这些问题呢？

3.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：  

# 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 1
08:06:33 UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command
08:06:34 0 10488 30.00 100.00 0.00 0.00 100.00 0 sysbench
08:06:34 0 26326 0.00 1.00 0.00 0.00 1.00 0 kworker/u4:2

08:06:33 UID PID cswch/s nvcswch/s Command
08:06:34 0 8 11.00 0.00 rcu_sched
08:06:34 0 16 1.00 0.00 ksoftirqd/1
08:06:34 0 471 1.00 0.00 hv_balloon
08:06:34 0 1230 1.00 0.00 iscsid
08:06:34 0 4089 1.00 0.00 kworker/1:5
08:06:34 0 4333 1.00 0.00 kworker/0:3
08:06:34 0 10499 1.00 224.00 pidstat
08:06:34 0 26326 236.00 0.00 kworker/u4:2
08:06:34 1000 26784 223.00 0.00 sshd

从pidstat的输出可以发现，CPU使用率升高果然是sysbench导致的，它的CPU使用率高达100%，但上下文切换则来自其他进程。

pidstat输出的上下文切换次数，加起来也就几百，比vmstat的139W明显小了太多。

通过运行man pidstat,发现pidstat默认显示的是进程的指标数据，加上 -t参数后，才会输出线程的指标：

# 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 1
   08:14:05 UID TGID TID cswch/s nvcswch/s Command
   ...
   08:14:05 0 10551 - 6.00 0.00 sysbench
   08:14:05 0 - 10551 6.00 0.00 |__sysbench
   08:14:05 0 - 10552 18911.00 103740.00 |__sysbench
   08:14:05 0 - 10553 18915.00 100955.00 |__sysbench
   08:14:05 0 - 10554 18827.00 103954.00 |__sysbench
   ...

从这次pidstat的输出中，虽然sysbench进程的上下文切换次数不多，但是它的子进程上下文切换次数却很多。看来，上下文切换罪魁祸首，还是过多的sysbench线程。

4.接下来，继续分析中断次数上升的根源，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，并不能提供任何关于中断的信息，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

在第三个终端，运行下面的命令，查看中断的变化情况：

# -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，发现变化速度最快的是重调度中断，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。所以这里的中断升高还是因为多任务的调度问题，跟前面的上下文切换次数的分析结果是一致的。

这次通过一个sysbench的案例，讲解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，可以借助vmstat,pidstat和/proc/interrupts等工具，来辅助排查性能问题的根源。

总结：

上下文切换指标：

(1).上下文切换次数取决于系统本身的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1万以内都是正常的

(2).当上下文切换次数超过1万次，或者切换次数出现数量级增长时，就很可能已经出现了性能问题

同一个进程下线程上下文切换，因为共享虚拟内存，切换过程中，虚拟内存这些资源保持不变，只需要切换线程的私有数据，寄存器等不共享的数据。(多线程代替多进程)

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IO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，都在争抢CPU,说明CPU的确成了瓶颈

中断上下文切换变多了，说明CPU被中断处理程序占用，需要通过查看 /proc/interrupts文件分析具体的中断类型