性能优化-CPU上下文切换注释
目录1 .查看系统情况2 .案例分析2.1准备2.2操作与分析总结1 .查看系统情况
过多的上下文切换会消耗CPU时间来存储和恢复数据(如寄存器、内核堆栈和虚拟内存)，缩短进程实际运行的时间，导致lsdxgz系统性能严重下降。
可以使用名为vmstat的工具来检查系统的上下文切换情况。
vmstat是一种常用的系统性能分析工具，主要用于分析系统的内存使用情况，也常用于分析CPU的上下文切换和中断次数。
例如，vmstat的使用示例如下所示。
#每5秒输出一组数据----- vmstat5procs-------- memory-----swap-----io-----vmstat5procs-------5
上下文切换(cs )是每秒上下文切换的次数。
in(interrupt )是每秒的中断次数。
runningorrunnable (r )是就绪队列的长度，即运行CPU并等待的进程数。
b ) b(Blocked )是处于不可中断的睡眠状态的进程数。
本例的上下文切换次数cs为29次，系统中断次数in为53次，就绪队列长度r和不可中断状态进程数b均为0。
vmstat只是系统范围的上下文切换情况，必须使用上面提到的pidstat才能查看每个进程的详细信息。 如果在其中添加-w选项，则可以看到每个进程的上下文切换情况。
例如：
#每5秒输出一组数据$PIDstat-w5Linux4.15.0(Ubuntu ) 08/01/21_x86_64_(2CPU ) 13:13:09 uidpidcswch/snvvech 2.20.00systemd1:113360140、8、9.00、0.00rcu_sched .该结果有两列是我们重要关注的对象。 一个是cswch，表示每秒自发上下文切换的次数；另一个是nvcswch，表示每秒自发上下文切换的次数。
所谓的自愿上下文切换，是指进程无法获取所需资源，导致的上下文切换例如，I/O、内存等系统资源不足时，会发生自发的上下文切换。
非自愿上下文切换，则是指进程由于时间片已到等原因，被系统强制调度，进而发生的上下文切换例如，如果大量进程正在争夺CPU，则很容易出现非自愿的上下文切换。
2 .案例研究2.1准备sysbench是一个多线程基准测试工具，通常用于评估不同系统参数下的数据库负载情况。 当然，在这次的案例中，它只作为例外的过程来看。 作用是模拟上下文切换过多的问题。
以下情况基于Ubuntu 20虚拟机，使用的情况环境如下：
计算机配置：2 CPU，8GB内存
预安装sysbench和sysstat软件包，如apt install sysbench sysstat
在开始生产之前，必须打开三个终端登录到同一台Linux机器并安装上述两个软件包。 的安装，请先用谷歌自己解决。 如果仍然有问题，请在消息区写下你的情况。
此外，以下所有命令都是默认以 root 用户运行因此，对于以普通用户登录的系统，请记住首先运行sudo su root命令以切换到root用户。
安装完成后，首先查看vmstat中空闲系统的上下文切换次数。
以#1秒间隔输出一组数据----- vmstat1procs-------- memory-----swap-----io---- sssap
4 1 0 99 0 0这里你可以看到，现在的上下文切换次数 cs 是 44，而中断次数 in 是 122，r 是 1， b ,是 0。因为这会儿只有很少其他任务，所以它们就是空闲系统的上下文切换次数。
2.2 操作和分析接下来，我们正式进入实战操作。
首先，在第一个终端里运行 sysbench ，模拟系统多线程调度的瓶颈：
# 以10个线程运行5分钟的基准测试，模拟多线程切换的问题$ sysbench --threads=10 --max-time=300 threads run接着，在第二个终端运行 vmstat ，观察上下文切换情况：
# 每隔1秒输出1组数据（需要Ctrl+C才结束）$ vmstat 1procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu----- r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st 7 0 0 7454761 189434 1734234 0 0 0 0 6888 1322211 16 80 0 0 0 9 0 0 7454761 189434 1734234 0 0 0 0 14222 1422567 16 80 0 0 0你应该可以发现，cs 列的上下文切换次数从之前的 44 骤然上升到了 142万。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 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 80%，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？
我们继续分析，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（需要 Ctrl+C 才结束）# -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 -w -u 113:20:35 UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command13:20:36 0 21452 31.00 100.00 0.00 0.00 100.00 0 sysbench13:20:36 0 25234 0.00 1.00 0.00 0.00 1.00 0 kworker/u4:213:20:35 UID PID cswch/s nvcswch/s Command13:20:36 0 8 11.00 0.00 rcu_sched13:20:36 0 15642 1.00 0.00 kworker/1:513:20:36 0 15623 1.00 0.00 kworker/0:313:20:36 0 24674 1.00 188.00 pidstat13:20:36 0 15231 311.00 0.00 kworker/u4:213:20:36 32342 23234 134.00 0.00 sshd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 100%。但上下文切换则是来自其他进程，包括非自愿上下文切换频率最高的 pidstat ，以及自愿上下文切换频率最高的内核线程 kworker 和 sshd。
pidstat 输出的上下文切换次数，加起来也就几百，比 vmstat 的 142 万明显小了太多。其实是 pidstat 默认显示的是进程组中主线程的 CPU 上下文切换信息。
通过运行 man pidstat ，你会发现，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。
可以在第三个终端里， Ctrl+C 停止刚才的 pidstat 命令，再加上 -t 参数，重试一下看看：
# 每隔1秒输出一组数据（需要 Ctrl+C 才结束）# -wt 参数表示输出线程的上下文切换指标$ pidstat -wt 113:31:05 UID TGID TID cswch/s nvcswch/s Command...13:31:05 0 21452 - 6.00 0.00 sysbench13:31:05 0 - 4231 6.00 0.00 |__sysbench13:31:05 0 - 4232 19323.00 145223.00 |__sysbench13:31:05 0 - 4233 19312.00 112334.00 |__sysbench13:31:05 0 - 4234 19342.00 102374.00 |__sysbench...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，上下文切换碧蓝的宝贝，还是过多的 sysbench 线程。
前面在观察系统指标时，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。中断次数也上升到了 1 万，需要继续查找到底是什么类型的中断上升了的源头。
既然是中断，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。
可以从 /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。
运行下面的命令，观察中断的变化情况：
# -d 参数表示高亮显示变化的区域$ watch -d cat /proc/interrupts CPU0 CPU1...RES: 267564 4234652 Rescheduling interrupts...观察一段时间，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。
可以发现了多工具、多方面指标对比观测的好处。如果最开始时，我们只用了 pidstat 观测，这些很严重的上下文切换线程，压根儿就发现不了了。
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。