四 上下文切换
一 前言
对“平均负载”一课的学习后，你可能会有疑问，进程在竞争cpu的时候并没有正在的运行，为何会导致系统的负载升高，其实贼魁祸首就是“上下文切换”。
我们经常说linux是一个多任务的系统，它支持很多任务同时在运行。这里的“同时”仅仅是一个相对时间，其实他并非真正的在运行，只是系统在很短的时间内，将cpu
轮流分配给他们，造成了错觉。
二 何为“上下文”
任务运行前，cpu都需要知道任务从哪里加载，从哪里开始，这对应cpu的两个概念“寄存器”和“程序计数器”。
cpu寄存器：cpu内置的容量小、但速度极快的内存
cpu计数器：cpu正在执行的指令的位置、或者即将执行的吓一条指令的位置。
而这里的从哪里加载从哪里开始就是“上下文”了。
三 何为“上下文切换”
先把前一个任务的上下文（cpu寄存器和程序计数器）保存下来，然后加载新的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的新位置，运行新任务。
保存的上下文会存储在系统内核中，在任务重新被调度时再加载进来，因此不会影响任务的状态，看起来还是连续的。
四 都说“任务”，何为“任务”，有哪些场景
任务：进程，线程、中断等等。
上下文切换的场景：进程上下文切换、线程上下文切换、中断上下文切换
A 进程上下文切换
两个概念：
内核空间：最高权限，可访问所有资源
用户空间：不能访问内存等硬件设备，必须通过系统调用陷入到内核中，才能访问这些资源。
进程状态：内核态进程、用户态进程。
一次系统调用涉及：保存用户态，切换到内核态，然后保存内核态，切换到用户态，所以：一次系统调用，其实发生了两次cpu上下文切换。
什么时候会切换、进程什么时候会被调度到cpu上运行
1 进程执行完成
2 cpu时间被划分为一段段时间片，这些时间片被轮流分配给各个进程，但某个进程的时间片被耗尽了，就会被挂起，切换到其他等待cpu的进程上。
3 正在运行的进程资源不足了（内存等等）
4 程序有设置sleep（）这样的函数时，也会主动挂起
5 中断，硬件中断，进程会被挂起，转而执行内核中的中断服务程序。
B 线程上下文切换
进程是资源拥有的基本单位，线程是调度的基本单位。
当进程只有一个线程时，可以人为进程就等于线程。
当进程拥有多个线程时，这些线程拥有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。
同进程的上下文切换、不同进程的上下文切换，而后者的切换涉及资源及全局变量等的切换，所以比前者需要消耗更多的资源。
C 中断上下文切换
中断上下文切换多为内核和硬件设备的交互，优先级最高，但中断次数过多时，要排查下问题了。
五 你学到了什么？
cpu上下文切换是必要的
过多的cpu切换，会将时间消耗在寄存器、虚拟内存、内核栈等数据的保存和恢复上，而真正的运行时间却相应变短，导致系统的整体性能大大下降。
六 案例分析
案例前，我们还是了解分析工具
vmstat、pidstat、sysbench
vmstat：系统整体的上下文切换情况
pidstat：查看每个进程的上下文切换信息
sysbench：多线程进基准测试工具，可用来模拟上下文切换过多的问题
[root@new-dev-02 ~]# 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 4541440 872 3273768 0 0 0 1 0 0 0 0 100 0 0 0 0 0 4541516 872 3273768 0 0 0 0 96 168 0 0 100 0 0 0 0 0 4541020 872 3273772 0 0 0 12 345 483 1 1 98 0 0 0 0 0 4541392 872 3273772 0 0 0 1 116 193 0 0 100 0 0 1 0 0 4541392 872 3273772 0 0 0 3 123 194 0 0 100 0 0
（每隔5s输出一组数据。vmstat：系统整体的上下文切换情况。）
主要看四列内容：
cs(context switch)：每秒上下文切换数
in(interrupt)：每秒中断数
r：正在运行和等待cpu的进程数，就绪队列的长度
b：不可中断处于睡眠状态的进程数
cs/in一般几百到1万都是正常的，是否有异常不能看数量，而是看增长，是否有数量级的增长
[root@new-dev-02 ~]# pidstat -w 5 Linux 3.10.0-327.el7.x86_64 (new-dev-02) 12/05/2018 _x86_64_ (4 CPU) 06:29:57 PM UID PID cswch/s nvcswch/s Command 06:30:01 PM 0 1 5.39 0.00 systemd 06:30:01 PM 0 2 0.20 0.00 kthreadd 06:30:01 PM 0 7 0.40 0.00 migration/0 06:30:01 PM 0 13 51.70 0.00 rcu_sched 06:30:01 PM 0 14 12.38 0.00 rcuos/0 06:30:01 PM 0 15 18.76 0.00 rcuos/1 06:30:01 PM 0 16 14.77 0.00 rcuos/2 06:30:01 PM 0 17 14.37 0.00 rcuos/3 06:30:01 PM 0 18 0.20 0.00 watchdog/0 06:30:01 PM 0 19 0.20 0.00 watchdog/1 06:30:01 PM 0 20 3.59 0.00 migration/1 06:30:01 PM 0 24 0.20 0.00 watchdog/2 06:30:01 PM 0 25 3.59 0.00 migration/2 06:30:01 PM 0 29 0.20 0.00 watchdog/3 06:30:01 PM 0 30 2.79 0.00 migration/3 06:30:01 PM 0 126 2.00 0.00 kauditd
(每隔5秒输出一组数据，查看每个进程的上下文切换信息。)
主要看两列内容：
cswch/s：自愿上下文切换，进程无法获取所需要的资源，导致的上下文切换，eg：内存、IO
nvcswch/s：非自愿上下文切换，进程由于时间片已到等原因，发生的上下文切换，大量进程在抢cpu，就容易发生非自愿上下文切换
[root@new-dev-02 ~]# sysbench --threads=16 --max-time=600 threads run WARNING: --max-time is deprecated, use --time instead sysbench 1.0.9 (using system LuaJIT 2.0.4) Running the test with following options: Number of threads: 16 Initializing random number generator from current time Initializing worker threads... Threads started!
(以16个线程运行10分钟为基准，模拟多线程切换的问题。)
[root@new-dev-02 ~]# 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 10 0 0 4528168 872 3277904 0 0 0 1 0 0 0 0 100 0 0 10 0 0 4527516 872 3277908 0 0 0 0 92235 1403011 9 83 8 0 0 9 0 0 4527656 872 3277908 0 0 0 0 86846 1216013 9 85 6 0 0 7 0 0 4527656 872 3277908 0 0 0 0 136527 1989414 9 82 9 0 0 9 0 0 4527656 872 3277908 0 0 0 8 95233 1414369 10 83 7 0 0 8 0 0 4527656 872 3277908 0 0 0 0 144712 2087200 8 83 9 0 0 9 0 0 4527656 872 3277908 0 0 0 0 145905 2079661 8 83 8 0 0 9 0 0 4527904 872 3277908 0 0 0 0 110694 1598545 8 84 8 0 0 7 0 0 4527904 872 3277908 0 0 0 0 98367 1467209 9 84 7 0 0
可以看到上下文切换骤增到几百万，而内核态高达80%以上，说明cpu主要是被内核占用了。
in中断数也上升了几个数量级，说明中断也是个问题。
[root@new-dev-02 ~]# pidstat -wt 3 Average: UID TGID TID cswch/s nvcswch/s Command Average: 0 26257 - 1.99 0.00 tmux Average: 0 - 26257 1.99 0.00 |__tmux Average: 0 - 27632 7.64 0.00 |__skynet-log-agen Average: 0 - 27634 2.99 0.00 |__skynet-log-agen Average: 0 - 27635 3.65 0.00 |__skynet-log-agen Average: 0 - 27638 1.99 0.00 |__skynet-log-agen Average: 0 - 29826 1.83 0.00 |__skynet-log-agen Average: 0 - 27845 15268.27 64202.33 |__sysbench Average: 0 - 27846 16345.85 62577.41 |__sysbench Average: 0 - 27847 14405.32 63026.08 |__sysbench Average: 0 - 27848 14869.44 64488.04 |__sysbench Average: 0 - 27849 15573.59 63047.51 |__sysbench Average: 0 - 27850 16163.79 60573.59 |__sysbench Average: 0 - 27851 16725.91 61787.04 |__sysbench Average: 0 - 27852 17136.21 59015.28 |__sysbench Average: 0 - 27853 15716.45 64353.32 |__sysbench Average: 0 - 27854 15731.56 60625.75 |__sysbench Average: 0 - 27855 13386.88 66363.62 |__sysbench Average: 0 - 27856 14435.71 58306.64 |__sysbench Average: 0 - 27857 17515.61 60852.66 |__sysbench Average: 0 - 27858 18863.46 61730.07 |__sysbench Average: 0 - 27859 15648.50 62887.04 |__sysbench Average: 0 - 27860 13665.28 64576.58 |__sysbench
-wt：输出线程的上下文切换。
Every 2.0s: cat /proc/interrupts Wed Dec 5 19:10:49 2018 CPU0 CPU1 CPU2 CPU3 0: 51 0 0 0 IO-APIC-edge timer 1: 10 0 0 0 IO-APIC-edge i8042 4: 1964 4 0 0 IO-APIC-edge serial 6: 3 0 0 0 IO-APIC-edge floppy 8: 0 0 0 0 IO-APIC-edge rtc0 9: 0 0 0 0 IO-APIC-fasteoi acpi 10: 1 0 1918801 0 IO-APIC-fasteoi virtio2 11: 33 0 0 0 IO-APIC-fasteoi uhci_hcd:usb1 12: 144 0 0 0 IO-APIC-edge i8042 14: 0 0 0 0 IO-APIC-edge ata_piix 15: 0 0 0 0 IO-APIC-edge ata_piix 24: 0 0 0 0 PCI-MSI-edge virtio1-config 25: 5383 3830244 0 0 PCI-MSI-edge virtio1-req.0 26: 0 0 0 0 PCI-MSI-edge virtio0-config 27: 296706427 0 0 0 PCI-MSI-edge virtio0-input.0 28: 2 479 0 1833 PCI-MSI-edge virtio0-output.0 NMI: 0 0 0 0 Non-maskable interrupts LOC: 621848506 631386347 475404184 554846515 Local timer interrupts SPU: 0 0 0 0 Spurious interrupts PMI: 0 0 0 0 Performance monitoring interrupts IWI: 47281241 26695606 12460055 12552363 IRQ work interrupts RTR: 0 0 0 0 APIC ICR read retries RES: 107687233 115995935 85400128 83626343 Rescheduling interrupts CAL: 1044804 4294921874 1316243 668146 Function call interrupts TLB: 3770465 5407326 4488783 4455166 TLB shootdowns TRM: 0 0 0 0 Thermal event interrupts
