怒啃 24 小时，终于搞懂上下文切换！
大家好，我是树哥。
对于服务器系统来说，上下文切换也是影响系统性能的一个重要因素。深入理解上下文切换的原理，有利于我们做好性能优化工作。今天我将带大家了解下上下文切换的几种情形，以及其背后发生切换的具体信息，接着介绍一些监测上下文切换指标的工具，最后总结一些上下文切换异常可能得场景。
什么是上下文切换？
我们知道 Linux 是一个多任务操作系统，它能支持远大于 CPU 数量的任务同时运行。但实际上同一时刻只会有 CPU 数量的进程在运行，等 CPU 时间片到了之后，进程调度器就会把 CPU 资源分配给其他进程。在这个过程中就会涉及到进程之间的切换，这时候就需要将当前进程的上下文信息保存下来，随后加载被调度进程的上下文信息，这就是上下文切换。
这里所说的上下文信息，既包括虚拟内存、栈、全局变量等用户态的资源，也包括内核堆栈、寄存器等内核态的资源。不同类型的上下文切换，会涉及到不同类型资源的切换，例如：同一进程不同线程的切换，只需要切换内核态的资源，而不需要切换用户态的资源。
上下文切换类型
上下文还分为了三种类型，分别是：
- 进程上下文切换
- 线程上下文切换
- 中断上下文切换
进程上下文切换
进程上下文切换指的是不同进程之间发生切换。一般来说，进程被调度有如下几个时机：
- 某个进程时间片耗尽，会被系统挂起，切换到其他等待 CPU 的进程。
- 进程所需系统资源不足，需要等到资源满足时才可运行，此时会被挂起，其他进程会被调度。
- 进程通过 sleep 方法主动挂起，其他进程就有机会被调度。
- 有更高优先级的进程，当前进程会被挂起，高优先级进程会被调度。
- 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。
当发生如上几种情况的时候，就会发生进程调度，进而发生进程上下文切换。
线程上下文切换
我们都知道进程是资源分配的基本单位，线程是调度的基本单位，进程只是给线程提供了虚拟内存等资源。而线程上下文切换，就可以分为两种情况：
- 进程调度前后的两个线程，属于同一进程。此时因为资源共享，所以在切换的时候虚拟内存等这些资源就不需要变化，只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据。
- 进程调度前后的两个线程，不属于同一进程。这时候因为资源部共享，所以切换过程和进程上下文切换是一样的。
所以你会发现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，这其实就是多线程比起多进程的一个优势。
中断上下文切换
中断上下文切换指的是为了响应硬件的事件，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。
中断上下文切换，并不需要保存和恢复进程的虚拟内存等用户态资源，只需要处理 CPU 寄存器、内核堆栈等内核态的资源即可。
分析工具
查看系统的上下文切换情况，有三个工具可以使用，分别是：vmstat 命令、pidstat 命令、/proc/interrupts 文件。
vmstat 命令
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。该命令的语法格式为：
vmstat <选项> <时间间隔> <报告次数>
其中常用的选项有：
-a：显示活动内页；
-f：显示启动后创建的进程总数；
-m：显示slab信息；
-n：头信息仅显示一次；
-s：以表格方式显示事件计数器和内存状态；
-d：报告磁盘状态；
-p：显示指定的硬盘分区状态；
-S：输出信息的单位。
我们执行 vmstat 5 命令后，会每隔 5 秒输出一次结果，如下所示。
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 6893400 2352 563768 0 0 2 425 153 32 1 3 96 0 0
其中与上下文相关的 4 列内容如下：
- 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。
可以看到上面输出中上下文切换次数 cs 是 32 次，而系统中断次数 in 是 153 次，而就绪队列长度 r 和不可中断状态进程数 b 都是 0。
pidstat 命令
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，就需要使用我们前面提到过的 pidstat 了。给它加上 -w 选项，你就可以查看每个进程上下文切换的情况了。 例如执行如下命令，我们可以得到每个进程的上下文切换情况了。
// 每隔 5 秒输出一次结果
// -w 表示显示每个进程的上下文切换情况
[root@iZwz92ezhi90syoqbgjgn1Z ~]# pidstat -w 5
Linux 4.18.0-348.7.1.el8_5.x86_64 (iZwz92ezhi90syoqbgjgn1Z) 23/08/22 _x86_64_ (4 CPU)
15:04:39 UID PID cswch/s nvcswch/s Command
15:04:44 0 1 0.20 0.00 systemd
15:04:44 0 11 27.94 0.00 rcu_sched
15:04:44 0 497 19.56 0.00 xfsaild/vda3
15:04:44 0 603 0.20 0.00 systemd-journal
15:04:44 0 829 0.40 0.00 sssd_be
15:04:44 0 831 1.60 0.00 sssd_nss
15:04:44 0 3931 0.40 0.00 kworker/2:0-mm_percpu_wq
15:04:44 0 3998 0.40 0.00 kworker/1:0-mm_percpu_wq
15:04:44 0 4005 0.20 0.00 kworker/u8:0-flush-253:0
15:04:44 0 4021 0.80 0.00 kworker/3:2-mm_percpu_wq
15:04:44 0 4037 5.99 0.00 kworker/0:0-events
上述结果中的 cswch 与 nvcswch 是重点关注的对象。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。
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。
/proc/interrupts 文件
我们可以通过 vmstat 获取中断的次数，但是我们却无法获取中断类型。实际上我们可以通过 /proc/interrupts 文件获取中断的详细信息。/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。
我们可以通过如下命令，动态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: 4385721 4430589 3732298 4259089 Rescheduling interrupts
...
通过这种方式，我们就可以知道具体是哪种中断类型出现异常，从而定位到具体的资源。
如何排查异常？
今天我们深入了解了一下上下文切换这个指标，但每秒上下文切换多少次才算正常呢？
这个数值取决于系统本身的 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。
具体遇到问题的时候，需要根据变化的上下文切换类型，再做具体的分析。例如：
- 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。
总结
首先，我们先介绍了上下文切换的概念，以及上下文切换可能会包含用户态资源和内核态资源。
接着，我们介绍了三种上下文切换类型，即：进程上下文切换、线程上下文切换、中断上下文切换，并分析其切换包括的资源类型。
接着，我们介绍了 vmstat 命令、pidstat 命令、/proc/interrupts 三种分析工具。其中 vmstat 命令用户查看系统整体上下文切换情况，pidstat 命令用户查看进程的上下文切换情况，/proc/interrupts 文件用户查看中断类型及详细情况。
最后，解释了合理的上下文切换次数应该是数百到一万每秒以内。但具体的问题排查，还需要根据上下文切换类型去分析。
参考资料
