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
