CPU上下文切换分析

Posted 2021-01-29 xiaoxitest

一、CPU上下文切换

1、上下文切换，有时也称做进程切换或任务切换，是指CPU从一个进程或线程切换到另一个进程或线程。

2、vmstat是一个常用的系统性能分析工具，主要用来分析系统内存使用情况，也常用来分析CPU上下文切换和中断的次数。

例：vmstat -w

上下文切换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。
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 12 次，系统中断次数in则是93次，而就绪队列长度 r 和不可中断状态进程数 b 都是 0。

3、vmstat只给出了系统总体的上下文切换情况，如果要看每个进程的详细情况，就需要pidstat了，加上-w选项

例：pidstat -w  2

需关注：cswch ，表示每秒自愿上下文切换（voluntary context switches）的次数

　　　　 nvcswch ，表示每秒非自愿上下文切换（non voluntary context switches）的次数。

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。

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。

 

二、使用sysbench 来模拟系统多线程调度切换的情况

1、预先安装 sysbench 和 sysstat  包

2、解压tar xvf sysbench-0.4.12.14.tar.gz

3、进入解压目录并执行 ./configure

4、make && make install

5、在第一个终端执行 sysbench --num-threads=10 --max-time=300 --max-requests=10000000 --test=threads run

6、在第二个终端运行vmstat观察上下文切换情况：

vmstat -w 1 3

 

可以发现，上下文切换cs已经上升到了256万，同时：

r 列：就绪队列的长度已经到了 9，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 89%，说明 CPU 主要是被内核占用了。

in 列：中断次数也上升到了 3000左右。

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。

 7、使用pidstat查看CPU和进程上下文切换情况：

pidstat -wt -u 1 3　　　# -wt 参数表示输出线程指标，而 -u 参数则表示输出 CPU 使用指标

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 194%，虽然 sysbench 进程（也就是主线程）的上下文切换次数看起来很少，但是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。

8、继续查看中断次数的详细信息

执行：watch -d cat /proc/interrupts　　# -d表示高亮显示变化的参数

观察一段时间，可以发现变化最快的是重新调度中断（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中断。

总结：

每秒上下文切换多少次算正常？

这个数值主要取决于系统CPU的性能，如果上下文切换比较稳定，那在1万以下都算是正常，如果超过1万或者切换次数出现很大的增长，就很可能出现了性能问题。

cswch ，自愿上下文切换的次数增多了，说明系统正在等待资源，有可能发生了I/O等其它问题；

nvcswch ，非自愿上下文切换的次数增多了，说明进程都在强制调度，也就是在争抢CPU，说明CPU性能成了瓶颈；

in，中断次数增多了，说明CPU被中断，通过分析/proc/interrupt文件来确认中断类型。