怎么查看系统的上下文切换情况

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。

使用 vmstat 这个工具，来查询系统的上下文切换情况。

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 的使用示例：

[root@doit ~]# 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 1068760 120384 612716    0    0     0     0   57   98  0  0 100  0  0

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。

这个例子中的上下文切换次数 cs 是 98 次，而系统中断次数 in 则是 57 次，而就绪队列长度 r 和不可中断状态进程数 b 都是 0。

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，就需要使用我们前面提到过的 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。

每隔 5 秒输出 1 组数据

[root@doit ~]# pidstat -w 5

Linux 4.20.0-1.el7.elrepo.x86_64 (doit)     07/12/2019     _x86_64_    (2 CPU)

04:28:40 PM   UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command

 04:28:45 PM     0         9      0.20      0.00  ksoftirqd/0

 04:28:45 PM     0        10      2.00      0.00  rcu_sched

 04:28:45 PM     0        11      0.40      0.00  migration/0

 04:28:45 PM     0        15      0.40      0.00  migration/1

 04:28:45 PM     0        27      0.20      0.00  khugepaged

 04:28:45 PM     0      3086      0.20      0.00  haveged

 04:28:45 PM     0      3104      9.98      0.00  qemu-ga

 04:28:45 PM     0      3492      1.00      0.00  httpd

 04:28:45 PM     0      6094      0.40      0.00  python

 04:28:45 PM     0     29541      5.39      0.00  kworker/1:0-events_power_efficient

 04:28:45 PM     0     29590      1.40      0.00  kworker/0:1-events

 04:28:45 PM     0     29716      0.20      0.20  pidstat

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

上下文切换频率是多少次才算正常呢？

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。当然，在这次案例中，我们只把它当成一个异常进程来看，作用是模拟上下文切换过多的问题。

预先安装 sysbench 和 sysstat 包，如 apt install sysbench sysstat

操作和分析

首先，在第一个终端里运行 sysbench ，模拟系统多线程调度的瓶颈：

# 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

[root@doit ~]# sysbench --threads=10 --max-time=300 threads run

WARNING: --max-time is deprecated, use --time instead

sysbench 1.0.17 (using system LuaJIT 2.0.4)

Running the test with following options:

Number of threads: 10

Initializing random number generator from current time

Initializing worker threads...

Threads started!

在第二个终端运行 vmstat ，观察上下文切换情况：

[root@doit ~]# 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      0 1066924 120388 612752    0    0     0     0    7    3  0  0 100  0  0

  8  0      0 1066924 120388 612768    0    0     0     0 2472 1695514 17 82  1  0  0

  8  0      0 1066924 120388 612768    0    0     0     0 3062 1847851 17 83  1  0  0

  7  0      0 1066924 120388 612768    0    0     0     0 2093 1696907 16 82  2  0  0

cs 列的上下文切换次数从之前的 3 骤然上升到了 169 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 83%，说明 CPU 主要是被内核占用了。

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 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。

那么到底是什么进程导致了这些问题呢？

在第三个终端再用 pidstat 来看一下， CPU 和进程上下文切换的情况

# 每隔 1 秒输出 1 组数据

  -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

[root@doit ~]# pidstat -w -u 1

 Linux 4.20.0-1.el7.elrepo.x86_64 (doit)     07/12/2019     _x86_64_    (2 CPU)

04:38:35 PM   UID       PID    %usr %system  %guest   %wait    %CPU   CPU  Command

 04:38:36 PM     0     29730   33.00  167.00    0.00    0.00  200.00     0  sysbench

04:38:35 PM   UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command

 04:38:36 PM     0        10      3.00      0.00  rcu_sched

 04:38:36 PM     0        16      1.00      0.00  ksoftirqd/1

 04:38:36 PM     0      3104     10.00      0.00  qemu-ga

 04:38:36 PM     0      3492      1.00      0.00  httpd

 04:38:36 PM     0     29541     14.00      0.00  kworker/1:0-events_power_efficient

 04:38:36 PM     0     29590      2.00      0.00  kworker/0:1-mm_percpu_wq

 04:38:36 PM     0     29640      1.00      0.00  sshd

 04:38:36 PM     0     29714      1.00      0.00  kworker/u4:0-events_unbound

 04:38:36 PM     0     29742      1.00      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 200%。但上下文切换则是来自其他进程，自愿上下文切换频率最高的内核线程 kworker。

pidstat 输出的上下文切换次数，加起来也就几百，比 vmstat 的 139 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？

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。

[root@doit ~]# pidstat -wt 1

Linux 4.20.0-1.el7.elrepo.x86_64 (doit)     07/12/2019     _x86_64_    (2 CPU)

04:45:02 PM   UID      TGID       TID   cswch/s nvcswch/s  Command

 04:45:03 PM     0         9         -      2.91      0.00  ksoftirqd/0

 04:45:03 PM     0         -         9      2.91      0.00  |__ksoftirqd/0

 04:45:03 PM     0        10         -     10.68      0.00  rcu_sched

 04:45:03 PM     0         -        10     10.68      0.00  |__rcu_sched

 04:45:03 PM     0        16         -      0.97      0.00  ksoftirqd/1

 04:45:03 PM     0         -        16      0.97      0.00  |__ksoftirqd/1

 04:45:03 PM     0      3104         -      9.71      0.00  qemu-ga

 04:45:03 PM     0         -      3104      9.71      0.00  |__qemu-ga

 04:45:03 PM     0         -      3820      0.97      0.00  |__tuned

 04:45:03 PM     0      6094         -      0.97      0.00  python

 04:45:03 PM     0         -      6094      0.97      0.00  |__python

 04:45:03 PM     0         -     14238      0.97      0.00  |__node

 04:45:03 PM     0     29590         -      1.94      0.00  kworker/0:1-mm_percpu_wq

 04:45:03 PM     0         -     29590      1.94      0.00  |__kworker/0:1-mm_percpu_wq

 04:45:03 PM     0         -     29768  20572.82 100301.94  |__sysbench

 04:45:03 PM     0         -     29769  18718.45 110695.15  |__sysbench

 04:45:03 PM     0         -     29770  22306.80 104282.52  |__sysbench

 04:45:03 PM     0         -     29771  26055.34  86372.82  |__sysbench

 04:45:03 PM     0         -     29772  20498.06 102583.50  |__sysbench

 04:45:03 PM     0         -     29773  14956.31  81900.00  |__sysbench

 04:45:03 PM     0         -     29774  29092.23 112430.10  |__sysbench

 04:45:03 PM     0         -     29775  24825.24 110958.25  |__sysbench

 04:45:03 PM     0         -     29776  23862.14  95394.17  |__sysbench

 04:45:03 PM     0         -     29777  21125.24  87931.07  |__sysbench

 04:45:03 PM     0     29780         -     12.62      0.00  kworker/1:1-events_power_efficient

 04:45:03 PM     0         -     29780     12.62      0.00  |__kworker/1:1-events_power_efficient

 04:45:03 PM     0     29783         -      0.97      1.94  pidstat

 04:45:03 PM     0         -     29783      0.97      1.94  |__pidstat

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。
   在观察系统指标时，除了上下文切换频率骤然升高，还有一个指标也有很大的变化。是的，正是中断次数。中断次数也上升到了 1 万，但到底是什么类型的中断上升了，现在还不清楚。接下来继续抽丝剥茧找源头。既然是中断，我们都知道，它只发生在内核态，而 pidstat 只是一个进程的性能分析工具，并不提供任何关于中断的详细信息，怎样才能知道中断发生的类型呢？

没错，那就是从 /proc/interrupts 这个只读文件中读取。/proc 实际上是 Linux 的一个虚拟文件系统，用于内核空间与用户空间之间的通信。/proc/interrupts  就是这种通信机制的一部分，提供了一个只读的中断使用情况。

[root@doit ~]# watch -d cat /proc/interrupts

Every 2.0s: cat /proc/interrupts                                         Fri Jul 12 16:49:08 2019

           CPU0       CPU1

 LOC:   83008310  107586288   Local timer interrupts

 SPU:          0          0   Spurious interrupts

 PMI:          0          0   Performance monitoring interrupts

 IWI:          0          1   IRQ work interrupts

 RTR:          0          0   APIC ICR read retries

 RES:    9169892    7079828   Rescheduling interrupts

观察一段时间，你可以发现，变化速度最快的是重调度中断（RES），这个中断类型表示，唤醒空闲状态的 CPU 来调度新的任务运行。这是多处理器系统（SMP）中，调度器用来分散任务到不同 CPU 的机制，通常也被称为处理器间中断（Inter-Processor Interrupts，IPI）。所以，这里的中断升高还是因为过多任务的调度问题，跟前面上下文切换次数的分析结果是一致的。

现在再回到最初的问题，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。

小结

通过一个 sysbench 的案例，给你讲了上下文切换问题的分析思路。碰到上下文切换次数过多的问题时，我们可以借助 vmstat 、 pidstat 和 /proc/interrupts 等工具，来辅助排查性能问题的根源。

首先通过uptime查看系统负载，然后使用mpstat结合pidstat来初步判断到底是cpu计算量大还是进程争抢过大或者是io过多，接着使用vmstat分析切换次数，以及切换类型，来进一步判断到底是io过多导致问题还是进程争抢激烈导致问题。

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