【操作系统】聊聊CPU上下文切换实操
如何查看系统的上下文切换情况
上一篇文章我们说了过多的上下文切换，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，那么当出现系统的上下文切换过多的时候，我们如果通过监控指标查看呢。
vmstat 是一个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。
vmstat 5 代表的是5S输出一组
root@qxlxi:/data# 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 1296640 195580 158788 2402740 0 1 3 23 22 46 0 0 99 0 0
0 0 1296640 222836 158788 2402740 0 0 0 17 52 92 1 1 99 0 0
- cs（context switch）每秒上下文切换次数
- in (interrupt) 每秒中断的次数
- r (Running or Runnable) 是就绪队列的长度，也就是可运行的进程数（进行和等待）
- b (Blocked) 处于不可中断睡眠状态的进程数
从图中可以看到cs是92次上下文切换 in 52次中断。就绪队列和不可中断进程数都是0
查看每个进程的数据，使用 pidstat -w
root@qxlxi:/data# pidstat -w 5
Linux 5.4.0-100-generic (qxlxi) 09/23/2023 _aarch64_ (2 CPU)
12:45:26 PM UID PID cswch/s nvcswch/s Command
12:45:31 PM 0 9 0.20 0.00 ksoftirqd/0
12:45:31 PM 0 10 3.79 0.00 rcu_sched
12:45:31 PM 0 11 0.20 0.00 migration/0
12:45:31 PM 0 17 0.20 0.00 migration/1
12:45:31 PM 0 18 0.40 0.00 ksoftirqd/1
12:45:31 PM 0 365 0.80 0.00 kworker/0:1H-kblockd
12:45:31 PM 0 382 0.20 0.00 kworker/1:1H-kblockd
12:45:31 PM 118 876 1.80 0.00 avahi-daemon
12:45:31 PM 0 885 0.20 0.00 irqbalance
12:45:31 PM 128 1490 0.20 0.00 gsd-color
12:45:31 PM 1000 1615 2.00 0.00 systemd
12:45:31 PM 1000 1708 0.20 0.00 Xorg
12:45:31 PM 1000 1888 0.20 0.00 gnome-shell
12:45:31 PM 1000 2006 0.20 0.00 gsd-color
12:45:31 PM 0 19788 0.20 0.00 systemd-journal
12:45:31 PM 0 60439 1.00 0.00 multipathd
12:45:31 PM 0 88948 4.19 1.60 systemd-udevd
12:45:31 PM 1000 115630 0.20 0.00 gnome-control-c
12:45:31 PM 0 487397 2.00 0.00 kworker/u4:1-events_power_efficient
12:45:31 PM 0 488871 6.99 0.00 kworker/1:1-events
12:45:31 PM 0 489061 0.40 0.00 kworker/u4:0-events_freezable_power_
12:45:31 PM 0 489366 8.18 0.00 kworker/0:2-events
12:45:31 PM 0 489376 0.20 0.00 pidstat
- cswch/s ： 每秒自愿上下文切换（voluntary context switches）的次数
- nvcswch/s：每秒非自愿上下文切换 (non voluntary context switches) 的次数
自愿上下文切换：进程获取不到自愿的时候，发生的上下文切换，比如IO、网络、内存资源不足的时候。
非自愿上下文切换：进程执行时间到了，被系统强制调度，进而发生上下文切换，比如大量进程竞争CPU
场景分析
sysbench --threads=10 --max-time=300 threads run
模拟10个线程执行。
查看总体
root@qxlxi:/data# 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 1296640 222000 158804 2403064 0 1 3 23 23 21 0 0 99 0 0
10 0 1296640 222000 158804 2403064 0 0 0 80 132863 2924643 15 80 5 0 0
5 0 1296640 222000 158804 2403064 0 0 0 0 142952 2734656 14 81 5 0 0
8 0 1296640 222000 158804 2403064 0 0 0 0 157159 2996906 14 85 1 0 0
7 0 1296640 221968 158804 2403064 0 0 0 0 140886 2726608 13 78 9 0 0
9 0 1296640 221968 158804 2403064 0 0 0 0 142394 2722918 14 80 6 0 0
查看上下文切换次数升级到200多万，而就绪队列达到了10，us和sy的和达到了100%，sy的占用率80多，肯定有大量的CPU竞争。重点的次数也达到了1W多。
综合分析，就绪队列过长，导致的大量进程上下文切换，从而导致系统CPU占用率更高。
查看进程
pidstat -w -u 1 查看进程上下文切换数据
qxlxi@qxlxi:~$ pidstat -w -u 1
Linux 5.4.0-100-generic (qxlxi) 09/23/2023 _aarch64_ (2 CPU)
12:51:09 PM UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command
12:51:10 PM 1000 1699 0.98 0.00 0.00 0.00 0.98 0 gvfs-afc-volume
12:51:10 PM 0 489611 28.43 160.78 0.00 0.00 189.22 0 sysbench
12:51:10 PM 1000 489646 0.00 0.98 0.00 0.00 0.98 1 pidstat
12:51:09 PM UID PID cswch/s nvcswch/s Command
12:51:10 PM 0 10 2.94 0.00 rcu_sched
12:51:10 PM 0 18 0.98 0.00 ksoftirqd/1
12:51:10 PM 0 382 0.98 0.00 kworker/1:1H-kblockd
12:51:10 PM 1000 1615 1.96 0.00 systemd
12:51:10 PM 0 60439 0.98 0.00 multipathd
12:51:10 PM 0 487195 6.86 0.00 kworker/0:1-events
12:51:10 PM 0 488871 5.88 0.00 kworker/1:1-events
12:51:10 PM 0 489585 0.98 0.00 kworker/u4:2-events_freezable_power_
12:51:10 PM 1000 489646 0.98 53.92 pidstat
12:51:10 PM UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command
12:51:11 PM 128 1420 1.00 0.00 0.00 0.00 1.00 0 gnome-shell
12:51:11 PM 0 489611 26.00 161.00 0.00 0.00 187.00 0 sysbench
12:51:10 PM UID PID cswch/s nvcswch/s Command
12:51:11 PM 0 10 8.00 0.00 rcu_sched
12:51:11 PM 0 18 3.00 0.00 ksoftirqd/1
12:51:11 PM 128 1420 3.00 12.00 gnome-shell
12:51:11 PM 1000 1615 2.00 0.00 systemd
12:51:11 PM 1000 1888 3.00 8.00 gnome-shell
12:51:11 PM 0 60439 1.00 0.00 multipathd
12:51:11 PM 0 487195 7.00 0.00 kworker/0:1-events
12:51:11 PM 0 487397 47.00 0.00 kworker/u4:1-events_unbound
12:51:11 PM 1000 488358 10.00 0.00 sshd
12:51:11 PM 0 488871 4.00 0.00 kworker/1:1-events
12:51:11 PM 0 489585 206.00 0.00 kworker/u4:2-events_unbound
12:51:11 PM 1000 489646 1.00 253.00 pidstat
12:51:11 PM UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command
12:51:12 PM 0 489611 19.00 169.00 0.00 0.00 188.00 0 sysbench
12:51:12 PM 1000 489646 0.00 1.00 0.00 1.00 1.00 1 pidstat
12:51:11 PM UID PID cswch/s nvcswch/s Command
12:51:12 PM 0 10 4.00 0.00 rcu_sched
12:51:12 PM 0 18 10.00 0.00 ksoftirqd/1
12:51:12 PM 1000 1615 2.00 0.00 systemd
12:51:12 PM 1000 2130 1.00 0.00 evolution-alarm
12:51:12 PM 0 60439 1.00 0.00 multipathd
12:51:12 PM 0 487195 4.00 0.00 kworker/0:1-events
12:51:12 PM 0 487397 165.00 0.00 kworker/u4:1-events_unbound
12:51:12 PM 1000 488358 18.00 0.00 sshd
12:51:12 PM 0 488871 5.00 0.00 kworker/1:1-events
12:51:12 PM 0 489585 113.00 0.00 kworker/u4:2-events_freezable_power_
12:51:12 PM 1000 489646 1.00 289.00 pidstat
12:51:12 PM UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command
12:51:13 PM 0 489611 27.00 158.00 0.00 0.00 185.00 0 sysbench
12:51:12 PM UID PID cswch/s nvcswch/s Command
12:51:13 PM 0 10 5.00 0.00 rcu_sched
12:51:13 PM 0 11 1.00 0.00 migration/0
12:51:13 PM 0 17 1.00 0.00 migration/1
12:51:13 PM 0 18 1.00 0.00 ksoftirqd/1
12:51:13 PM 1000 1615 2.00 0.00 systemd
12:51:13 PM 0 60439 1.00 0.00 multipathd
12:51:13 PM 0 487195 8.00 0.00 kworker/0:1-events
12:51:13 PM 0 487397 96.00 0.00 kworker/u4:1-flush-253:0
12:51:13 PM 1000 488358 15.00 0.00 sshd
12:51:13 PM 0 488871 5.00 0.00 kworker/1:1-events
12:51:13 PM 0 489585 165.00 0.00 kworker/u4:2-events_unbound
12:51:13 PM 1000 489646 1.00 258.00 pidstat
从图中可以发现，切换较多的自愿上下文切换是进程 kworker/u4:2-events_unbound，而这里只是显示的是进程的上下文切换，而CPU在运行的是时候， Linux 调度的基本单位实际上是线程
pidstat -wt 1 可以查看线程的指标
1:06:41 PM UID TGID TID cswch/s nvcswch/s Command
01:06:43 PM 0 1 - 0.92 0.00 systemd
01:06:43 PM 0 - 1 0.92 0.00 |__systemd
01:06:43 PM 0 10 - 19.27 0.00 rcu_sched
01:06:43 PM 0 - 10 19.27 0.00 |__rcu_sched
01:06:43 PM 0 18 - 8.26 0.00 ksoftirqd/1
01:06:43 PM 0 - 18 8.26 0.00 |__ksoftirqd/1
01:06:43 PM 0 382 - 0.92 0.00 kworker/1:1H-kblockd
01:06:43 PM 0 - 382 0.92 0.00 |__kworker/1:1H-kblockd
01:06:43 PM 0 - 937 0.92 0.00 |__gmain
01:06:43 PM 128 - 1300 0.92 0.00 |__gvfs-afc-volume
01:06:43 PM 128 - 1422 0.92 0.00 |__gmain
01:06:43 PM 1000 1615 - 1.83 0.00 systemd
01:06:43 PM 1000 - 1615 1.83 0.00 |__systemd
01:06:43 PM 1000 - 1700 0.92 0.00 |__gvfs-afc-volume
01:06:43 PM 1000 1708 - 3.67 0.00 Xorg
01:06:43 PM 1000 - 1708 3.67 0.00 |__Xorg
01:06:43 PM 1000 1888 - 2.75 0.00 gnome-shell
01:06:43 PM 1000 - 1888 2.75 0.00 |__gnome-shell
01:06:43 PM 1000 - 1900 0.92 0.00 |__gmain
01:06:43 PM 1000 - 2336 0.92 0.00 |__gmain
01:06:43 PM 1000 - 2745 0.92 0.00 |__gmain
01:06:43 PM 0 - 56981 0.92 0.00 |__gmain
01:06:43 PM 0 60439 - 0.92 0.00 multipathd
01:06:43 PM 0 - 60439 0.92 0.00 |__multipathd
01:06:43 PM 0 - 60443 0.92 0.00 |__multipathd
01:06:43 PM 0 487397 - 0.92 0.00 kworker/u4:1-events_freezable_power_
01:06:43 PM 0 - 487397 0.92 0.00 |__kworker/u4:1-events_freezable_power_
01:06:43 PM 1000 489904 - 1.83 0.00 baobab
01:06:43 PM 1000 - 489904 1.83 0.00 |__baobab
01:06:43 PM 0 490271 - 7.34 0.00 kworker/0:2-events
01:06:43 PM 0 - 490271 7.34 0.00 |__kworker/0:2-events
01:06:43 PM 0 490366 - 3.67 0.00 kworker/1:3-events
01:06:43 PM 0 - 490366 3.67 0.00 |__kworker/1:3-events
01:06:43 PM 0 - 490582 37280.73 249111.93 |__sysbench
01:06:43 PM 0 - 490583 30613.76 227590.83 |__sysbench
01:06:43 PM 0 - 490584 42267.89 214733.03 |__sysbench
01:06:43 PM 0 - 490585 36483.49 247768.81 |__sysbench
01:06:43 PM 0 - 490586 35252.29 251989.91 |__sysbench
01:06:43 PM 0 - 490587 35150.46 240639.45 |__sysbench
01:06:43 PM 0 - 490588 33030.28 207896.33 |__sysbench
01:06:43 PM 0 - 490589 34731.19 233100.00 |__sysbench
01:06:43 PM 0 - 490590 39934.86 232202.75 |__sysbench
01:06:43 PM 0 - 490591 36001.83 261024.77 |__sysbench
01:06:43 PM 0 490592 - 0.92 2479.82 pidstat
01:06:43 PM 0 - 490592 0.92 2502.75 |__pidstat
到此，我们就分析出，上下文切换过多的进程是kworker。但是还有一个中断次数过多的问题。
因为中断是发生在内核中的，所以我们需要通过/proc中的信息进行查看。
watch -d cat /proc/interrupts
小结
本篇主要介绍了查看上下文切换的几个常用命令，分别是
vmstat 5 //总体监控
pidstat -w 5 //进程监控
pidstat -w -u 1 //-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 -wt 1 // -wt 参数表示输出线程的上下文切换指标
watch -d cat /proc/interrupts //内核中断指标
而自愿上下文切换边多，说明进程在等待资源，可能发生了IO问题
非自愿上下文切换过多，说明进程在被强制调度，争抢CP
中断次数过多，说明CPU被中断程序占用