《Linux性能优化实战》笔记（三）—— CPU 上下文切换（下）

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Hehuyi_In_666 2020-09-07 00:06:25 博主文章分类：Linux ©著作权

文章标签 上下文切换数据多线程 文章分类 JavaScript 前端开发

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上篇介绍了三种CPU 上下文切换以及它们可能造成的问题和原因，这一篇来看看在系统中如何发现CPU 上下文切换问题。

一、查看上下文切换情况

主要使用两个命令：vmstat以及之前用过的pidstat。

1. vmstat

# 每隔5秒输出1组数据
vmstat 5

procs -----------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

对上下文切换而言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。

2. pidstat

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，就需要使用前面提到过的 pidstat 了。给它加上 -w 选项，就可以查看每个进程上下文切换的情况。

# 每隔5秒输出1组数据
pidstat -w 5

Linux 4.15.0 (ubuntu)  09/23/18  _x86_64_  (2 CPU)
08:18:26      UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command
08:18:31        0         1      0.20      0.00  systemd
08:18:31        0         8      5.40      0.00  rcu_sched
...

有两列内容是我们的重点关注对象。

cswch ，表示每秒自愿上下文切换（voluntary context switches）的次数。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。

nvcswch ，表示每秒非自愿上下文切换（non voluntary context switches）的次数。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。

二、案例测试

文中安装了sysbench进行多线程压测（stress只能进行多进程级别），这也是数据库压测常用的工具之一。

第一个终端里运行 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=10 --max-time=300 threads run

在第二个终端运行 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 1

procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu----
r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa s
6 0 0 6487428 118240 1292772 0 0 0 0 9019 1398830 16 84 0
8 0 0 6487428 118240 1292772 0 0 0 0 10191 1392312 16 84

cs 列：上下文切换次数骤然上升到了 139 万
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sy 列高达 84%
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。

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。

另外可以看到，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？

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。

我们在第三个终端里再加上 -t 参数，重试一下看看：

# 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
...

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。前面在观察系统指标时，除了上下文切换频率骤然升高，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。

三、中断分析

中断只发生在内核态，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？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），它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。