性能测试连载 (25)-剖析 cpu 上下文切换对负载的影响
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cpu 平均负载
cpu 平均负载指的是单位时间内正在运行的不可中断的平均进程数，也就是是等待处理的任务队列
下图红圈显示的是 5 分钟，10 分钟，15 分钟内的平均负载
导致 cpu 平均负载升高的原因
1：CPU 密集型
2： I/O 密集型
3：大量进程竞争 cpu
平均负载究竟是如何升高的？
CPU 密集型，需要大量计算资源，会消耗 cpu；
I/O 密集型需要等待 I/O,会有大量的不可中断进程；
Linux 系统支持多用户多任务，它支持远远大于 cpu 的进程数运行。当大量的进程竞争 cpu，也就是存在大量的可运行进程。而 cpu 每次却只能运行一个任务，其他的进程都是在等待。整个过程其实是 cpu 根据时间片分配给多进程去轮流运行任务，所以在轮流执行的过程中是非常消耗 cpu 资源的。而当一个任务需要运行前，cpu 需要知道从那里加载，从哪里开始运行，也就是系统需要事先设置好cpu 寄存器和程序计数器。
cpu 寄存器: cpu 内置的容量小且速度极快的内存。
程序计数器: 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。
这两个是 CPU 在运行任何任务前所必须依赖的前置条件，所以也被称为 CPU 上下文
CPU 上下文切换分类：
1：进程上下文切换
2：系统调用上下文切换
3：线程上下文切换:
4：中断上下文切换
5：主动上下文切换和被动上下文切换
进程上下文切换
进程上下文切换是指从一个进程切换到另一个进程，过程如下
1：接受切换信号，挂起进程，记录当前的进程的虚拟内存、栈等资源存储
2：存储进程在 CPU 的上下文状态
3：检索下一个进程 CPU 的上下文
4：加载到 CPU 的寄存器中进行进程恢复
5：刷新进程保存的虚拟内存和用户栈
6：跳转到程序计数器指向的位置，恢复进程运行
很多进程切换时，会消耗大量时间去保存恢复 cpu 上下文和用户空间状态，而 cpu 分配给进程的时间片是有限的。这就导致 cpu 实际运行进程时间（cpu 利用率）大大降低。而当时间片用完，进程又必须挂起，就导致了 cpu 负载急剧升高。
系统调用上下文切换
系统的进程空间分为用户态和内核态，内核态和用户态是相互隔离的。内核态可以访问用户数据，用户态不能访问内核数据。
加载磁盘里的一个文件，触发的指令是进程的用户态。而操作磁盘就需要系统调用内核态。此时原先的用户态就需要保存起来，执行内核态的指令，加载完数据就需要恢复用户态，继续运行进程。指令跳转也实现了隔离。
用户空间通过 API 请求内核空间的服务来完成其功能——内核提供给用户空间的这些 API, 就是系统调用。当一个系统调用发生时必然会发生两次 CPU 上下文切换，且始终在一个进程中运行。
线程上下文切换
线程和进程的区别在于：线程是调度的基本单位；进程是资源拥有的基本单位。内核中的任务调度，调度的对象就是线程，而进程给线程提供虚拟内存、全局变量等资源。
当进程只有一个线程的时候，进程就等于线程；
当进程有多个线程的时候，这些线程会共享虚拟内存与全局变量等资源。它们在上下文切换的时候不需要进行修改
线程的私有数据的在上下文切换时需要保存
所以多线程间的切换比多进程间的切换消耗更少的资源
中断上下文切换
系统调用的中断是由于软件的触发而中断，称为软中断。如前文所述，系统调用会触发内核的执行，因此会产生上下文切换。
中断上下文切换不会涉及到进程的用户态，只需要内核态执行。因此对于一个 cpu 来说，中断处理比进程的优先级更高
主动切换与被动切换
主动上下文切换:cswch/s：当某一任务处于阻塞，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 将主动让出自己的 CPU 资源
被动上下文切换:nvcswch/s：CPU 分配给某一任务的时间片耗尽，因此将强迫该进程让出 CPU 的执行权。比如大量进程争抢 CPU
查看上下文切换
vmstat 命令
vmstat 用来分析系统内存使用情况，也用来分析 cpu 上下文切换和中断的次数。术语解释如下：
r: 队列的长度，也就是正在运行和等待 CPU 的进程数
b: 处于不可中断状态的进程数
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
pidstat 命令
pidstat -p【pid】-w 1 10 显示线程的上下文切换，主动切换与被动切换
dstat -y显示系统中断和上下文切换的整体信息
watch -d cat /proc/interrupts分析软件中断的类别
sysbench 命令
*sysbench --threads=10 --max-time=300 threads run * 模拟 10 个线程运行 5 分钟的基准测试，演示多线程导致的上下文切换，cpu 负载升高
总结
主动切换过多就是内存/io 资源不足了；
被动切换过多就是进程过多导致 cpu 时间片不足；
