经常说的CPU上下文切换是什么意思?

1.关于上下文切换的几个为什么

1、上下文切换是什么?

上下文切换是对任务当前运行状态的暂存和恢复

2、为什么CPU要进行上下文切换

当多个进程竞争CPU的时候,为了保证每个进程可以公平被CPU调用,采用处理任务按时间分片的机制,当某个时间片上的任务达到最后的时间点,那么这个任务就好被挂起,处理下一个任务,由于CPU处理的速度非常快,在人类感知上认为是并行处理的,实际是伪并行,同一时间只有一个任务在运行处理。

3、上下文切换主要消耗什么资源,为什么说上下文切换次数过多不可取?

浪费太多时间在切换上,会增大处理任务的时间,导致延迟,卡顿现象

4、上下文切换分几种

进程上下文切换、线程上下文切换、中断上下文切换

5、什么情况下会触发上下文切换?

CPU梳理任务的时间片耗尽,进程状态转换(像运行,阻塞)等

6、线程上下文切换和进程上下文切换的最大区别是什么?

线程是调度的基本单位,进程是资源拥有的基本单位。

进程的切换属于资源的切换。

同属一个进程的线程,发生上下文切换,只切换线程的私有数据,但是共享的内存池数据没有变,所以速度很快。

7、线程上下文切换的过程

1.不同进程之间的线程上下文切换,其过程和进程上下文切换大致相同

2.线程内部的线程进行上下文切换,不需要切换进程的用户资源,只切换线程的私有数据就行,所以比进程上下文切换消耗的资源少,所以多线程相比多进程快。私有数据是什么数据,不需要知道。

 

2.系统总的CPU上下文切换情况

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
3 0 0 2960728 176248 5030840 0 0 1 33 0    0     0 0 99  0 0
0 0 0 2960456 176248 5030840 0 0 0 80 1788 3004  1 0 99  0 0
0 0 0 2960084 176248 5030844 0 0 0 136 1743 3008 0 0 99  0 0
0 0 0 2960084 176248 5030844 0 0 0 64 1595 2917  0 0 100 0 0
0 0 0 2960084 176248 5030844 0 0 0 76 1733 3099  1 0 99  0 0
0 0 0 2960084 176248 5030848 0 0 0 92 1687 3008  0 1 99  0 0

  

  

 

3.案例分析

3.1 环境

机器配置:2 CPU,4GB 内存
预先安装 sysbench
cnetos 7.2

yum -y install sysbench

 

3.2 操作之终端一

# 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

 

3.3 操作之终端二

# 每隔 1 秒输出 1 组数据(需要 Ctrl+C 才结束)

[root@nfs ~]# 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
 6  0  45412 1585156      0 351460   10   38    46    39  118   10  2  8 90  0  0
 8  0  45412 1585156      0 351468    0    0     0     0 2023 2208584 17 83  0  0  0
 7  0  45412 1585156      0 351468    0    0     0     0 2008 2183632 18 82  1  0  0
 8  0  45412 1585156      0 351468    0    0     0     0 2013 2278429 17 83  0  0  0
 8  0  45412 1585156      0 351468    0    0     0     0 2008 2251628 18 82  0  0  0
 6  0  45412 1585156      0 351468    0    0     0     0 2014 2236468 19 81  0  0  0
 7  0  45412 1585156      0 351468    0    0     0     0 2004 2255035 17 83  0  0  0
 6  0  45412 1585156      0 351468    0    0     0     0 2020 2212782 18 82  1  0  0
 7  0  45412 1585156      0 351468    0    0     0     0 2013 2194160 19 81  0  0  0

  你应该可以发现,cs列的上下文切换次数从之前的10骤然上升了220万,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 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%,其中系统CPU使用率,也就是sy列高达90%说明CPU主要被内核占用了

  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的CPU进程数过多,导致大量的上下文切换,而上下文切换还又导致了系统CPU的占用率升高

 

3.4 操作之终端三

  那么到底是是哪个进程导致了这些问题了

[root@nfs ~]# pidstat -w -u 1
Linux 3.10.0-957.12.1.el7.x86_64 (nfs)  05/03/2019  _x86_64_    (2 CPU)
 
12:58:57 PM   UID       PID    %usr %system  %guest   %wait    %CPU   CPU  Command
12:58:59 PM     0      9183   31.07  162.14    0.00    0.00  193.20     0  sysbench
12:58:59 PM     0      9196    0.00    0.97    0.00    0.00    0.97     0  kworker/0:0
 
12:58:57 PM   UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command
12:58:59 PM     0         3      1.94      0.00  ksoftirqd/0
12:58:59 PM     0         9      7.77      0.00  rcu_sched
12:58:59 PM     0       103      1.94      0.00  kworker/1:2
12:58:59 PM     0      5823     10.68      0.00  vmtoolsd
12:58:59 PM     0      6969      0.97      0.00  sshd
12:58:59 PM     0      9066      0.97      0.00  kworker/u256:1
12:58:59 PM     0      9195      0.97      0.00  vmstat
12:58:59 PM     0      9196      1.94      0.00  kworker/0:0
12:58:59 PM     0      9198      0.97      0.00  pidstat

  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%但是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

  不过,细心的你肯定也发现了一个怪异的事儿:pidstat 出的上下文切换次数,加起来也就几百,比 vmstat 的 220万明显小了太多。这是怎么回事呢?难道是工具本身出了错吗?

  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

  我们还是在第三个终端里, Ctrl+C 停止刚才的 pidstat 命令,然后运行下面的命令,观察中断的变化情况.

[root@nfs ~]# pidstat -wt 1
Linux 3.10.0-957.12.1.el7.x86_64 (nfs)  05/03/2019  _x86_64_    (2 CPU)
 
01:00:35 PM   UID      TGID       TID   cswch/s nvcswch/s  Command
01:00:36 PM     0         3         -      0.93      0.00  ksoftirqd/0
01:00:36 PM     0         -         3      0.93      0.00  |__ksoftirqd/0
01:00:36 PM     0         9         -     17.76      0.00  rcu_sched
01:00:36 PM     0         -         9     17.76      0.00  |__rcu_sched
01:00:36 PM     0        14         -      3.74      0.00  ksoftirqd/1
01:00:36 PM     0         -        14      3.74      0.00  |__ksoftirqd/1
01:00:36 PM     0       103         -      1.87      0.00  kworker/1:2
01:00:36 PM     0         -       103      1.87      0.00  |__kworker/1:2
01:00:36 PM     0      5823         -     10.28      0.00  vmtoolsd
01:00:36 PM     0         -      5823     10.28      0.00  |__vmtoolsd
01:00:36 PM     0         -      6755      0.93      0.00  |__tuned
01:00:36 PM     0         -      6666      0.93      0.00  |__in:imjournal
01:00:36 PM     0      6969         -      0.93      0.00  sshd
01:00:36 PM     0         -      6969      0.93      0.00  |__sshd
01:00:36 PM     0      9066         -      0.93      0.00  kworker/u256:1
01:00:36 PM     0         -      9066      0.93      0.00  |__kworker/u256:1
01:00:36 PM     0         -      9184  37752.34 157714.02  |__sysbench
01:00:36 PM     0         -      9185  43673.83 153500.00  |__sysbench
01:00:36 PM     0         -      9186  32598.13 150383.18  |__sysbench
01:00:36 PM     0         -      9187  31631.78 179364.49  |__sysbench
01:00:36 PM     0         -      9188  43047.66 129503.74  |__sysbench
01:00:36 PM     0         -      9189  25115.89 170748.60  |__sysbench
01:00:36 PM     0         -      9190  40545.79 179413.08  |__sysbench
01:00:36 PM     0         -      9191  48101.87 157711.21  |__sysbench
01:00:36 PM     0         -      9192  31725.23 164217.76  |__sysbench
01:00:36 PM     0         -      9193  37538.32 159869.16  |__sysbench
01:00:36 PM     0      9195         -      0.93      0.00  vmstat
01:00:36 PM     0         -      9195      0.93      0.00  |__vmstat
01:00:36 PM     0      9196         -      1.87      0.00  kworker/0:0
01:00:36 PM     0         -      9196      1.87      0.00  |__kworker/0:0
01:00:36 PM     0      9200         -      0.93      0.93  pidstat
01:00:36 PM     0         -      9200      0.93      0.93  |__pidstat

  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粗疏却又很多,

  看来,上下文切换醉魁祸首,还是过多的线程

[root@nfs ~]# tail -15 /proc/interrupts
 IWI:       6600       5405   IRQ work interrupts
 RTR:          0          0   APIC ICR read retries
 RES:      22360      25295   Rescheduling interrupts
 CAL:       1158        647   Function call interrupts
 TLB:      23862       8639   TLB shootdowns
 TRM:          0          0   Thermal event interrupts
 THR:          0          0   Threshold APIC interrupts
 DFR:          0          0   Deferred Error APIC interrupts
 MCE:          0          0   Machine check exceptions
 MCP:         35         35   Machine check polls
 ERR:          0
 MIS:          0
 PIN:          0          0   Posted-interrupt notification event
 NPI:          0          0   Nested posted-interrupt event
 PIW:          0          0   Posted-interrupt wakeup event

  观察一段时间,你可以发现,变化速度最快的是重调度中断,这中断类似表示,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,通常也被称为处理间中断

  cswch过多说明资源IO问题,nvcswch过多说明调度争抢cpu过多,中断次数变多说明cpu被中断程序调用

 

4.小结

  1.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,在我看来,如果系统上下文切换次数比较稳定,那么从数百一万以内,都有应该算是正常的,

  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,就很可能已经出现性能问题

  2.根据上下文切换类型再具体分析

  自愿上下文切换变多了,说明进程都在等待自愿,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动,也就是在争抢CPU,说明CPU的确成了瓶颈

  中断次数变多了了,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。

  3.假设我现在有一台Linux服务器负载变高了,如何找到原因?如何排查分析

  Step1: 首先通过uptime看下最近一段时间的负载怎么样,能够得出是徒然变高还是变高已经有一段时间了,比较5min和15min系统负载的数据

  Step2: 分析系统负载高的原因有哪些?根据前面学习的,可能是计算密集型任务导致,IO密集型任务导致,还有可能是大量线程等待调度导致,还有可能是几种情况的组合同时存在。这里要怎么分析可以通过mpstat工具来区分,主要关注的几个指标是%idle %iowait %wait

  Step3: 如果通过上一步确认是大量线程等待调度导致,那么可以通过vmstat来查看系统整体的上下文切换情况,主要关注cs/in/r/b 四个指标

  Step4: 我们已经知道了系统负载高的原因,进一步通过pidstat 查看具体是那一个线程导致的详细原因

  4.排错思路总结

  登录到服务器,现在系统负载怎么样 。 高的话有三种情况,首先是cpu使用率 ,其次是io使用率 ,之后就是两者都高 。

  cpu 使用率高,可能确实是使用率高, 也的可能实际处理不高而是进程太多切换上下文频繁 , 也可能是进程内线程的上下文切换频繁

  io 使用率高 , 说明 io 请求比较大, 可能是 文件io 、 网络io 。

  工具 :

系统负载 : uptime ( watch -d uptime)看三个阶段平均负载

系统整体情况 : mpstat (mpstat -p ALL 3) 查看 每个cpu当前的整体状况,可以重点看用户态、内核态、以及io等待三个参数

系统整体的平均上下文切换情况 : vmstat (vmstat 3) 可以重点看 r (进行或等待进行的进程)、b (不可中断进程/io进程) 、in (中断次数) 、cs(上下文切换次数)

查看详细的上下文切换情况 : pidstat (pidstat -w(进程切换指标)/-u(cpu使用指标)/-wt(线程上下文切换指标)) 注意看是自愿上下文切换、还是被动上下文切换

io使用情况 : iostat

 

 

转载: https://www.cnblogs.com/charon2/p/11763013.html

posted @ 2023-02-20 20:26  小家电维修  阅读(359)  评论(0编辑  收藏  举报