Linux性能指标之cpu上下文切换

CPU上下文切换是保证Linux系统正常工作的一个核心功能，按照不同场景，可以分为进程上下文切换、线程上下文切换和中断上下文切换。究竟怎么分析CPU上下文切换的问题。

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，缩短进程真正运行的时间，成了系统性能大幅下降的一个元凶。

既然上下文切换对系统性能影响那么大，到底要怎么査看上下文切换呢？可以使用vmstat这个工具，来查询系统的上下文切换情况。

vmstat是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。

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[root@0x5c0f ~][0]$ vmstat 2
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
 r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st
 4  0      0 10895260  13356 7206976    0    0    34    24  186  109  4  2 94  0  0
 2  0      0 10944452  13356 7179112    0    0     0    14 3414 3917  4  2 94  0  0
 0  0      0 10940036  13356 7179008    0    0     0  1404 2930 3534  4  2 95  0  0
 0  0      0 10953532  13356 7168816    0    0     0   114 2823 3232  3  2 95  0  0

• procs（进程）
  • r：当前运行队列中线程的数目，代表线程处于可运行状态，但CPU还未能执行，这个值可以作为判断CPU是否繁忙的一个指标；当这个值超过了CPU数目，就会出现CPU瓶颈了；这个我们可以结合top命令的负载值同步评估系统性能（等待运行的进程数（(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：处在非中断睡眠状态的进程数
• system（系统）这2个值越大，会看到由内核消耗的CPU时间会越大
  • in：(interrupt)则是每秒中断的次数，包括时钟中断
  • cs： (context switch)是每秒上下文切换的次数
• cpu（以百分比表示）
  • us：用户进程执行时间(user time)；
  • sy：系统进程执行时间(system time)；
  • id：空闲时间(包括IO等待时间)；
  • wa：等待IO时间；wa的值高时，说明IO等待比较严重，这可能由于磁盘大量作随机访问造成，也有可能磁盘出现瓶颈。

  r： 表示运行队列(就是说多少个进程真的分配到CPU)，我测试的服务器目前CPU比较空闲，没什么程序在跑，当这个值超过了CPU数目，就会出现CPU瓶颈了。这个也和top的负载有关系，一般负载超过了3就比较高，超过了5就高，超过了10就不正常了，服务器的状态很危险。top的负载类似每秒的运行队列。如果运行队列过大，表示你的CPU很繁忙，一般会造成CPU使用率很高。

  cs：每秒上下文切换次数，例如我们调用系统函数，就要进行上下文切换，线程的切换，也要进程上下文切换，这个值要越小越好，太大了，要考虑调低线程或者进程的数目,例如在apache和nginx这种web服务器中, 我们一般做性能测试时会进行几千并发甚至几万并发的测试，选择web服务器的进程可以由进程或者线程的峰值一直下调，压测，直到cs到一个比较小的值，这个进程和线程数就是比较合适的值了. 系统调用也是，每次调用系统函数，我们的代码就会进入内核空间，导致上下文切换，这个是很耗资源，也要尽量避免频繁调用系统函数。上下文切换次数过多表示你的CPU大部分浪费在上下文切换，导致CPU干正经事的时间少了，CPU没有充分利用，是不可取的。

  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。

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[root@0x5c0f ~][130]$ pidstat -w 5
Linux 5.14.18-100.fc33.x86_64 (0x5c0f)  2022年09月01日  _x86_64_        (8 CPU)

15时54分47秒   UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command
15时54分52秒     0         2      0.20      0.00  kthreadd
15时54分52秒     0        13      0.60      0.00  ksoftirqd/0
15时54分52秒     0        14     91.42      0.00  rcu_sched
15时54分52秒     0        15      0.20      0.00  migration/0
15时54分52秒     0        18      0.20      0.00  migration/1
15时54分52秒     0        19      0.60      0.00  ksoftirqd/1

  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

• 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巳到等原因，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。

• 这两列如果数值比较大意味着不同的性能问题:

  • 自愿上下文切换时说明进程在等待资源，有可能发生了I/O等问题
  • 非自愿上下文切换，说明进程在被强制调度，也就是在争抢CPU
  • 中断次数多了，说明CPU在被中断处理程序占用。可以通过/proc/interrupts 查看