CPU性能篇：CPU 上下文切换；进程、线程、中断上下文切换；自愿上下文切换、非自愿上下文切换；上下文切换案例
倪朋飞 《Linux 性能优化实战》 学习笔记
什么是CPU 上下文切换？/上下文切换过程中，需要保存和加载的资源 ========================================================================================================== 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，必须的依赖环境，因此也被叫做 CPU 上下文。 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。 系统调用过程其实也发生了CPU 上下文切换；通常称为特权模式切换，而不是上下文切换。 一次系统调用的过程，其实是发生了两次 CPU 上下文切换。 每次上下文切换都需要几十纳秒到数微秒的 CPU 时间。 ----------------------------------------------------------------------------------------- 线程是任务调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位。 上下文切换过程中，需要保存和加载的资源（个人总结）： 系统调用：进程的内核状态和 CPU 寄存器 中断上下文：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。 进程上下文切换：进程的虚拟内存、栈等资源+进程的内核状态和 CPU 寄存器 不同进程间的线程上下文切换：切换过程就跟进程上下文切换是一样 同进程间的线程上下文切换：只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据。
进程上下文切换；发生进程切换的场景 ========================================================================================================== 进程上下文切换 进程上下文切换跟系统调用的区别： 首先，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状态和 CPU 寄存器之前，需要先把该进程的虚拟内存、栈等保存下来；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。 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（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。 ----------------------------------------------------------------------------------------- 发生进程切换的场景：（了解以下场景非常有必要，因为一旦出现上下文切换的性能问题，场景1-5就是幕后凶手） 0.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。 1.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。 2.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。 3.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。 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。 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。 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。
中断上下文切换 ========================================================================================================== 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，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。
CPU 上下文切换小结；正常的上下文切换数值 ========================================================================================================== 小结： 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。 ----------------------------------------------------------------------------------------- 正常的上下文切换数值： 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。 1.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； 2.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； 3.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。
查看CPU 上下文切换和中断的次数（vmstat工具、pidstat工具）；【cs、in、r、b、cswch、nvcswch说明】；自愿上下文切换、非自愿上下文切换 ========================================================================================================== 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。 [root@yefeng ~]# 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 1 0 0 8695676 1080 635560 0 0 8 2 167 237 6 3 91 0 0 0 0 0 8695676 1080 635560 0 0 0 1 60 97 0 0 100 0 0 0 0 0 8695676 1080 635560 0 0 0 0 62 104 0 0 100 0 0 0 0 0 8695692 1080 635560 0 0 0 0 55 93 0 0 100 0 0 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。 ----------------------------------------------------------------------------------------- [root@yefeng ~]# pidstat -w 5 #想查看每个进程的详细情况，就需要使用我们前面提到过的 pidstat Linux 3.10.0-1160.el7.x86_64 (yefeng) 05/29/2022 _x86_64_ (2 CPU) 08:28:52 AM UID PID cswch/s nvcswch/s Command 08:28:57 AM 0 9 5.18 0.00 rcu_sched 08:28:57 AM 0 11 0.20 0.00 watchdog/0 08:28:57 AM 0 12 0.20 0.00 watchdog/1 08:28:57 AM 0 14 0.20 0.00 ksoftirqd/1 08:28:57 AM 0 37 0.20 0.00 khugepaged 08:28:57 AM 0 418 19.92 0.00 xfsaild/dm-0 08:28:57 AM 0 419 0.20 0.00 kworker/1:1H 08:28:57 AM 998 705 0.20 0.00 lsmd 08:28:57 AM 0 722 0.40 0.00 NetworkManager 08:28:57 AM 0 723 1.20 0.00 rngd 08:28:57 AM 0 746 12.75 0.00 vmtoolsd 08:28:57 AM 0 1939 0.20 0.00 packagekitd 08:28:57 AM 42 1943 1.00 0.00 gsd-color 08:28:57 AM 0 27123 2.79 0.00 kworker/0:2 08:28:57 AM 0 28777 0.60 0.00 kworker/1:2 08:28:57 AM 0 28892 1.00 0.00 kworker/u256:1 08:28:57 AM 0 30161 2.19 0.00 kworker/1:0 08:28:57 AM 0 30241 0.20 0.00 pidstat cswch:表示每秒自愿上下文切换（voluntary context switches）的次数 nvcswch: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: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: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。
上下文切换案例 ========================================================================================================== 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 vmstat 1 #观察上下文切换情况 pidstat -w -u 1 pidstat -wt 1 watch -d cat /proc/interrupts ----------------------------------------------------------------------------------------- 排查过程： [root@yefeng ~]# vmstat 1 #观察上下文切换情况 procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu----- r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st 8 0 0 8679132 1080 635712 0 0 8 2 181 311 6 3 91 0 0 7 0 0 8679108 1080 635712 0 0 0 0 37032 1678598 23 73 4 0 0 #cs 列的上下文切换次数从之前的 311 骤然上升到了 167 万 6 0 0 8679108 1080 635712 0 0 0 0 35184 1753075 24 73 3 0 0 6 0 0 8679108 1080 635712 0 0 0 12 36055 1709704 23 73 4 0 0 #in 列：中断次数也上升到了 3 万左右，说明中断处理也是个潜在的问题。 5 0 0 8679108 1080 635712 0 0 0 0 37692 1666443 24 74 2 0 0 #us（user）和 sy（system）列：这两列的 CPU 使用率加起来上升到了 98%，其中系统 CPU 使用率，也就是 sy 列高达 74%，说明 CPU 主要是被内核占用了。 8 0 0 8679108 1080 635712 0 0 0 0 31349 1787558 25 69 6 0 0 #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。 7 0 0 8679108 1080 635712 0 0 0 0 37519 1700774 23 74 3 0 0 #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。 [root@yefeng ~]# pidstat -w -u 1 #查看CPU 和进程上下文切换的情况 Linux 3.10.0-1160.el7.x86_64 (yefeng) 05/29/2022 _x86_64_ (2 CPU) 08:33:08 AM UID PID %usr %system %guest %CPU CPU Command 08:33:09 AM 0 30394 49.02 100.00 0.00 100.00 1 sysbench #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%。 08:33:09 AM 0 30414 0.00 0.98 0.00 0.98 1 pidstat 08:33:08 AM UID PID cswch/s nvcswch/s Command 08:33:09 AM 0 9 3.92 0.00 rcu_sched 08:33:09 AM 0 14 0.98 0.00 ksoftirqd/1 08:33:09 AM 0 418 19.61 0.00 xfsaild/dm-0 #上下文切换的数据和“vmstat命令”输出的167万差距很大 08:33:09 AM 0 723 0.98 0.00 rngd #因为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。 08:33:09 AM 0 746 11.76 0.00 vmtoolsd 08:33:09 AM 42 1943 0.98 0.00 gsd-color 08:33:09 AM 0 27123 2.94 0.00 kworker/0:2 08:33:09 AM 0 28777 2.94 0.00 kworker/1:2 08:33:09 AM 0 28993 0.98 0.00 kworker/u256:2 08:33:09 AM 0 30250 0.98 0.00 kworker/1:3 08:33:09 AM 0 30414 0.98 0.00 pidstat [root@yefeng ~]# pidstat -wt 1 Linux 3.10.0-1160.el7.x86_64 (yefeng) 05/29/2022 _x86_64_ (2 CPU) 08:33:46 AM UID TGID TID cswch/s nvcswch/s Command 08:33:47 AM 0 6 - 3.74 0.00 ksoftirqd/0 08:33:47 AM 0 - 6 3.74 0.00 |__ksoftirqd/0 08:33:47 AM 0 9 - 33.64 0.00 rcu_sched 08:33:47 AM 0 - 9 33.64 0.00 |__rcu_sched 08:33:47 AM 0 418 - 19.63 0.00 xfsaild/dm-0 08:33:47 AM 0 - 418 19.63 0.00 |__xfsaild/dm-0 08:33:47 AM 0 722 - 0.93 0.00 NetworkManager 08:33:47 AM 0 - 722 0.93 0.00 |__NetworkManager 08:33:47 AM 0 723 - 1.87 0.00 rngd 08:33:47 AM 0 - 723 1.87 0.00 |__rngd 08:33:47 AM 0 746 - 12.15 0.00 vmtoolsd 08:33:47 AM 0 - 746 12.15 0.00 |__vmtoolsd 08:33:47 AM 0 - 781 0.93 0.00 |__HangDetector 08:33:47 AM 0 - 1687 0.93 0.00 |__tuned 08:33:47 AM 0 - 1161 0.93 0.00 |__in:imjournal 08:33:47 AM 42 - 1907 0.93 0.00 |__gmain 08:33:47 AM 42 1943 - 0.93 0.00 gsd-color 08:33:47 AM 42 - 1943 0.93 0.00 |__gsd-color 08:33:47 AM 0 1977 - 0.93 0.00 wpa_supplicant 08:33:47 AM 0 - 1977 0.93 0.00 |__wpa_supplicant 08:33:47 AM 0 27123 - 2.80 0.00 kworker/0:2 08:33:47 AM 0 - 27123 2.80 0.00 |__kworker/0:2 08:33:47 AM 0 28777 - 0.93 0.00 kworker/1:2 08:33:47 AM 0 - 28777 0.93 0.00 |__kworker/1:2 08:33:47 AM 0 28993 - 0.93 0.00 kworker/u256:2 08:33:47 AM 0 - 28993 0.93 0.00 |__kworker/u256:2 08:33:47 AM 0 - 30395 22577.57 151251.40 |__sysbench #加上-t 参数后，可以看到线程的上下文切换数据 08:33:47 AM 0 - 30396 24924.30 131310.28 |__sysbench 08:33:47 AM 0 - 30397 33145.79 124478.50 |__sysbench 08:33:47 AM 0 - 30398 21620.56 147413.08 |__sysbench 08:33:47 AM 0 - 30399 28699.07 125912.15 |__sysbench 08:33:47 AM 0 - 30400 24554.21 133945.79 |__sysbench 08:33:47 AM 0 - 30401 18328.97 145642.99 |__sysbench 08:33:47 AM 0 - 30402 14751.40 149957.01 |__sysbench 08:33:47 AM 0 - 30403 19031.78 149584.11 |__sysbench 08:33:47 AM 0 - 30404 26868.22 127614.95 |__sysbench 08:33:47 AM 0 30423 - 0.93 10.28 pidstat 08:33:47 AM 0 - 30423 0.93 9.35 |__pidstat 中断数据及类型需要从 /proc/interrupts 这个只读文件中读取 [root@yefeng ~]# watch -d cat /proc/interrupts Every 2.0s: cat /proc/interrupts Sun May 29 08:34:25 2022 CPU0 CPU1 0: 38 0 IO-APIC-edge timer 1: 10 0 IO-APIC-edge i8042 8: 1 0 IO-APIC-edge rtc0 9: 0 0 IO-APIC-fasteoi acpi 12: 16 0 IO-APIC-edge i8042 14: 0 0 IO-APIC-edge ata_piix 15: 153 32677 IO-APIC-edge ata_piix 16: 647 365 IO-APIC-fasteoi ehci_hcd:usb1, vmwgfx 17: 8422 25833 IO-APIC-fasteoi ioc0, ens35 18: 75 0 IO-APIC-fasteoi uhci_hcd:usb2 19: 51020 31228 IO-APIC-fasteoi ens33 24: 0 0 PCI-MSI-edge PCIe PME, pciehp ………………………………………… 51: 0 0 PCI-MSI-edge PCIe PME, pciehp 52: 0 0 PCI-MSI-edge PCIe PME, pciehp 53: 0 0 PCI-MSI-edge PCIe PME, pciehp 54: 0 0 PCI-MSI-edge PCIe PME, pciehp 55: 0 0 PCI-MSI-edge PCIe PME, pciehp 56: 2825 1353 PCI-MSI-edge vmw_vmci 57: 0 0 PCI-MSI-edge vmw_vmci NMI: 0 0 Non-maskable interrupts LOC: 4732056 3447421 Local timer interrupts SPU: 0 0 Spurious interrupts PMI: 0 0 Performance monitoring interrupts IWI: 20218 20015 IRQ work interrupts RTR: 0 0 APIC ICR read retries RES: 25082225 25493379 Rescheduling interrupts #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 来调度新的任务运行 CAL: 6190 9968 Function call interrupts #RES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-Processor Interrupts，IPI）。 TLB: 12860 13403 TLB shootdowns #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。 TRM: 0 0 Thermal event interrupts THR: 0 0 Threshold APIC interrupts
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