CPU上下文切换

概念

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。

CPU 的上下文切换就可以分为几个不同的场景，也就是进程上下文切换、线程上下文切换以及中断上下文切换。

1.CPU 上下文切换，是保证 Linux 系统正常工作的核心功能之一，一般情况下不需要我们特别关注。

2.但过多的上下文切换，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，从而缩短进程真正运行的时间，导致系统的整体性能大幅下降。

进程上下文切换

进程既可以在用户空间运行，又可以在内核空间中运行。进程在用户空间运行时，被称为进程的用户态，而陷入内核空间的时候，被称为进程的内核态。从用户态到内核态的转变，需要通过系统调用来完成。一次系统调用的过程，其实是发生了两次 CPU 上下文切换。

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：

• 进程上下文切换，是指从一个进程切换到另一个进程运行。
• 而系统调用过程中一直是同一个进程在运行。

所以，系统调用过程通常称为特权模式切换，而不是上下文切换。但实际上，系统调用过程中，CPU 的上下文切换还是无法避免的。

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(即正在运行和正在等待 CPU 的进程)按照优先级和等待 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 时间最长的进程来运行。

那么，进程在什么时候才会被调度到 CPU 上运行呢？

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。

其实还有很多其他场景，也会触发进程调度。

其一，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，切换到其它正在等待 CPU 的进程运行。

其二，进程在系统资源不足(比如内存不足)时，要等到资源满足后才可以运行，这个时候进程也会被挂起，并由系统调度其他进程运行。

其三，当进程通过睡眠函数 sleep 这样的方法将自己主动挂起时，自然也会重新调度。

其四，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。

最后一个，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。

线程上下文切换

线程与进程最大的区别在于，线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位。

说白了，所谓内核中的任务调度，实际上的调度对象是线程；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，我们可以这么理解：

• 当进程只有一个线程时，可以认为进程就等于线程。

• 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。

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

这么一来，线程的上下文切换其实就可以分为两种情况：

• 第一种， 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是一样。

• 第二种，前后两个线程属于同一个进程。此时，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。

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

中断上下文切换

除了前面两种上下文切换，还有一个场景也会切换 CPU 上下文，那就是中断。

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，响应设备事件。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。

跟进程上下文不同，中断上下文切换并不涉及到进程的用户态。所以，即便中断过程打断了一个正处在用户态的进程，也不需要保存和恢复这个进程的虚拟内存、全局变量等用户态资源。中断上下文，其实只包括内核态中断服务程序执行所必需的状态，包括 CPU 寄存器、内核堆栈、硬件中断参数等。

对同一个 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生。同样道理，由于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都短小精悍，以便尽可能快的执行结束。

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，就需要注意去排查它是否会给你的系统带来严重的性能问题。

查看系统的上下文切换

用 vmstat 命令

# 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 259408 231816 2030784    0    0     2    23    0    1  0  0 99  0  0
 0  0      0 258076 231816 2030788    0    0     0    89  880 1633  1  1 98  0  0
 0  0      0 257476 231816 2030796    0    0     0    58  759 1383  1  1 99  0  0

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。

查看进程的上下文切换

用 pidstat 命令

# 每隔5秒输出1组数据

pidstat -w 5

Linux 4.15.0-180-generic (VM-0-11-ubuntu)       08/04/2023      _x86_64_        (2 CPU)

01:08:19 PM   UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command
01:08:24 PM     0         1      0.40      0.00  systemd
01:08:24 PM     0         7      0.40      0.00  ksoftirqd/0
01:08:24 PM     0         8     35.13      0.00  rcu_sched
01:08:24 PM     0        10      0.60      0.00  migration/0
01:08:24 PM     0        11      0.20      0.00  watchdog/0
01:08:24 PM     0        14      0.20      0.00  watchdog/1
01:08:24 PM     0        15      0.80      0.00  migration/1
01:08:24 PM     0        16      0.20      0.00  ksoftirqd/1
01:08:24 PM     0       310      0.60      0.00  kworker/1:1H
01:08:24 PM     0       313      1.80      0.60  jbd2/vda1-8
01:08:24 PM     0       398      1.60      0.00  kworker/0:1H
01:08:24 PM     0       410      0.20      0.00  systemd-journal
01:08:24 PM     0       463      0.20      0.00  systemd-udevd
01:08:24 PM     0       774      0.20      0.00  rpcbind
01:08:24 PM   103      1326      0.20      0.00  dbus-daemon
01:08:24 PM     0      1336      1.00      0.00  iscsid
01:08:24 PM     0      1355      0.20      0.00  systemd-logind
01:08:24 PM     0      2168      0.40      0.00  sgagent
01:08:24 PM     0      2561      1.20      0.00  php-fpm7.4
01:08:24 PM     0      6016      2.40      0.00  kworker/1:1
01:08:24 PM     0      7059      1.00      0.00  YDLive
01:08:24 PM     0      8483      6.39      0.00  kworker/u4:1
01:08:24 PM   500      8827      0.20      0.00  pidstat
01:08:24 PM   111      8846      1.00      0.00  ntpd
01:08:24 PM   500      9899      1.80      0.00  sshd
01:08:24 PM   500      9951      5.19      0.00  node
01:08:24 PM   500      9995     15.57      0.40  node
01:08:24 PM   500     10035      0.20      0.00  node
01:08:24 PM   500     10042      8.78      0.00  node
01:08:24 PM     0     11377      2.40      0.00  tat_agent
01:08:24 PM     0     11533      1.00      0.00  apache2
01:08:24 PM     0     15448      2.20      0.00  kworker/0:4
01:08:24 PM     0     30255      0.20      0.00  barad_agent
01:08:24 PM     0     30256      1.00      0.20  barad_agent

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。

cswch 跟 nvcswch 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

1. 查看空闲系统的上下文切换次数

#间隔1秒后输出1组数据

vmstat 1 1

procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
 r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st
 2  0      0 256668 227628 1938068    0    0     2    23    0    1  0  0 99  0  0

# 现在的上下文切换次数 cs 是 1，而中断次数 in 是 0，r是2，b 是 0。因为这会儿我并没有运行其他任务，所以它们就是空闲系统的上下文切换次数。

2. 用 sysbench 模拟多线程调度

# 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

3. 查看系统的上下文切换次数

#间隔1秒后输出1组数据

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
 9  0      0 330216 227628 1941216    0    0     2    23    0    0  0  0 99  0  0
 8  0      0 329440 227628 1941216    0    0     0     0 22850 953432 26 74  1  0  0
 8  0      0 330408 227628 1941204    0    0     0     0 16419 947231 32 68  1  0  0
 5  0      0 331612 227628 1941204    0    0     0    36 18527 935661 31 69  1  0  0
 7  0      0 331596 227628 1941204    0    0     0    68 17143 965140 29 70  1  0  0
 7  0      0 330604 227628 1941204    0    0     0     0 19264 966353 26 74  0  0  0
 7  0      0 329732 227628 1941204    0    0     0    96 17189 934599 30 69  1  0  0
 5  0      0 330852 227628 1941208    0    0     0     0 15789 962399 27 73  0  0  0
 7  0      0 330796 227628 1941216    0    0     0     4 20780 911383 31 68  1  0  0
 9  0      0 331012 227628 1941216    0    0     0   360 16093 927251 32 68  1  0  0
10  0      0 329644 227628 1941216    0    0     0     0 17124 944632 28 71  1  0  0
 7  0      0 329172 227628 1941216    0    0     0     0 17344 933698 28 72  1  0  0
 6  0      0 330460 227628 1941220    0    0     0     0 18241 947412 27 72  1  0  0
 0  0      0 332980 227628 1941220    0    0     0     4 20701 889404 26 70  4  0  0

你应该可以发现，cs 列的上下文切换次数从之前的 1 骤然上升到了 95 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 10，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 75%左右，说明 CPU 主要是被内核占用了。
• in 列：中断次数也上升到了 2 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。

4. 查看哪些进程导致了这些问题

# 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


02:46:39 PM   UID       PID    %usr %system  %guest   %wait    %CPU   CPU  Command
02:46:40 PM   500      9995    0.00    0.96    0.00    0.00    0.96     1  node
02:46:40 PM     0     11399    0.96    0.96    0.00    0.00    1.92     0  YDService
02:46:40 PM   500     20215   56.73  100.00    0.00    0.00  100.00     0  sysbench
02:46:40 PM   500     20319    0.00    0.96    0.00    0.96    0.96     1  pidstat
02:46:40 PM   500     30701    0.96    0.00    0.00    0.00    0.96     1  watch

02:46:39 PM   UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command
02:46:40 PM     0         7      0.96      0.00  ksoftirqd/0
02:46:40 PM     0         8     71.15      0.00  rcu_sched
02:46:40 PM     0        16      9.62      0.00  ksoftirqd/1
02:46:40 PM     0      1336      0.96      0.00  iscsid
02:46:40 PM     0      2561      0.96      0.00  php-fpm7.4
02:46:40 PM     0      7059      0.96      0.00  YDLive
02:46:40 PM   111      8846      0.96      0.00  ntpd
02:46:40 PM   500      9951     12.50      0.96  node
02:46:40 PM   500      9995     29.81     11.54  node
02:46:40 PM     0     11377      1.92      0.00  tat_agent
02:46:40 PM     0     11399      1.92      0.00  YDService
02:46:40 PM     0     11533      0.96      0.00  apache2
02:46:40 PM     0     12126      0.96      0.00  kworker/u4:0
02:46:40 PM     0     15448      1.92      0.00  kworker/0:4
02:46:40 PM     0     18583      8.65      0.00  kworker/u4:2
02:46:40 PM   500     20319      0.96      1.92  pidstat
02:46:40 PM   500     20328      0.96      4.81  sh
02:46:40 PM   500     20329      9.62      6.73  cpuUsage.sh
02:46:40 PM   500     20333      0.96     46.15  sleep
02:46:40 PM   500     20338      0.96      1.92  sh
02:46:40 PM   500     26555      4.81      0.00  sshd
02:46:40 PM   500     26615     14.42      0.00  node
02:46:40 PM     0     27115      0.96      0.00  kworker/1:0
02:46:40 PM     0     30255      0.96      0.00  barad_agent
02:46:40 PM     0     30256      1.92      0.00  barad_agent
02:46:40 PM   500     30701      2.88     10.58  watch

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 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 sleep，以及自愿上下文切换频率最高的内核线程 rcu_sched。

5. 查看哪些线程导致了这些问题

用 pidstat 加个 t 参数查看线程数据

# 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

Linux 4.15.0-180-generic (VM-0-11-ubuntu)       08/04/2023      _x86_64_        (2 CPU)

02:53:01 PM   UID      TGID       TID   cswch/s nvcswch/s  Command
02:53:02 PM     0     15448         -      1.72      0.00  kworker/0:4
02:53:02 PM     0         -     15448      1.72      0.00  |__kworker/0:4
02:53:02 PM   500         -     24083  15391.38  76145.69  |__sysbench
02:53:02 PM   500         -     24084  15860.34  77544.83  |__sysbench
02:53:02 PM   500         -     24085  14996.55  76887.93  |__sysbench
02:53:02 PM   500         -     24086  16404.31  74430.17  |__sysbench
02:53:02 PM   500         -     24087  14143.10  76350.86  |__sysbench
02:53:02 PM   500         -     24088  10127.59  84282.76  |__sysbench
02:53:02 PM   500         -     24089  12501.72  87622.41  |__sysbench
02:53:02 PM   500         -     24090  18118.10  83760.34  |__sysbench
02:53:02 PM   500         -     24091  19467.24  64118.10  |__sysbench
02:53:02 PM   500         -     24092  17018.97  75086.21  |__sysbench

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。

每秒上下文切换多少次才算正常

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。

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。

辅助工具

sysbench

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。

apt install sysbench sysstat