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04 | 基础篇：经常说的 CPU 上下文切换是什么意思？（下）

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04 | 基础篇：经常说的 CPU 上下文切换是什么意思？（下）

2018-11-28 倪朋飞 来自北京
《Linux性能优化实战》
课程介绍

讲述：冯永吉

时长11:57大小5.47M

你好，我是倪朋飞。
上一节，我给你讲了 CPU 上下文切换的工作原理。简单回顾一下，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。具体的概念和区别，你也要在脑海中过一遍，忘了的话及时查看上一篇。
今天我们就接着来看，究竟怎么分析 CPU 上下文切换的问题。

怎么查看系统的上下文切换情况

通过前面学习我们知道，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，你肯定迫不及待想知道，到底要怎么查看上下文切换呢？在这里，我们可以使用 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。
比如，下面就是一个 vmstat 的使用示例：
# 每隔5秒输出1组数据
$ 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 7005360 91564 818900 0 0 0 0 25 33 0 0 100 0 0
我们一起来看这个结果，你可以先试着自己解读每列的含义。在这里，我重点强调下，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，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。
可以看到，这个例子中的上下文切换次数 cs 是 33 次，而系统中断次数 in 则是 25 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。
比如说：
# 每隔5秒输出1组数据
$ pidstat -w 5
Linux 4.15.0 (ubuntu) 09/23/18 _x86_64_ (2 CPU)
08:18:26 UID PID cswch/s nvcswch/s Command
08:18:31 0 1 0.20 0.00 systemd
08:18:31 0 8 5.40 0.00 rcu_sched
...
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。
这两个概念你一定要牢牢记住，因为它们意味着不同的性能问题：
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

知道了怎么查看这些指标，另一个问题又来了，上下文切换频率是多少次才算正常呢？别急着要答案，同样的，我们先来看一个上下文切换的案例。通过案例实战演练，你自己就可以分析并找出这个标准了。

你的准备

今天的案例，我们将使用 sysbench 来模拟系统多线程调度切换的情况。
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。
下面的案例基于 Ubuntu 18.04，当然，其他的 Linux 系统同样适用。我使用的案例环境如下所示：
机器配置：2 CPU，8GB 内存
预先安装 sysbench 和 sysstat 包，如 apt install sysbench sysstat
正式操作开始前，你需要打开三个终端，登录到同一台 Linux 机器中，并安装好上面提到的两个软件包。包的安装，可以先 Google 一下自行解决，如果仍然有问题的，在留言区写下你的情况。
另外注意，下面所有命令，都默认以 root 用户运行。所以，如果你是用普通用户登陆的系统，记住先运行 sudo su root 命令切换到 root 用户。
安装完成后，你可以先用 vmstat 看一下空闲系统的上下文切换次数：
# 间隔1秒后输出1组数据
$ vmstat 1 1
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 6984064 92668 830896 0 0 2 19 19 35 1 0 99 0 0
这里你可以看到，现在的上下文切换次数 cs 是 35，而中断次数 in 是 19，r 和 b 都是 0。因为这会儿我并没有运行其他任务，所以它们就是空闲系统的上下文切换次数。

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 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 6487428 118240 1292772 0 0 0 0 9019 1398830 16 84 0 0 0
8 0 0 6487428 118240 1292772 0 0 0 0 10191 1392312 16 84 0 0 0
你应该可以发现，cs 列的上下文切换次数从之前的 35 骤然上升到了 139 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 84%，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 1
08:06:33 UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command
08:06:34 0 10488 30.00 100.00 0.00 0.00 100.00 0 sysbench
08:06:34 0 26326 0.00 1.00 0.00 0.00 1.00 0 kworker/u4:2
08:06:33 UID PID cswch/s nvcswch/s Command
08:06:34 0 8 11.00 0.00 rcu_sched
08:06:34 0 16 1.00 0.00 ksoftirqd/1
08:06:34 0 471 1.00 0.00 hv_balloon
08:06:34 0 1230 1.00 0.00 iscsid
08:06:34 0 4089 1.00 0.00 kworker/1:5
08:06:34 0 4333 1.00 0.00 kworker/0:3
08:06:34 0 10499 1.00 224.00 pidstat
08:06:34 0 26326 236.00 0.00 kworker/u4:2
08:06:34 1000 26784 223.00 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。
不过，细心的你肯定也发现了一个怪异的事儿：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？
别着急，在怀疑工具之前，我们再来回想一下，前面讲到的几种上下文切换场景。其中有一点提到， Linux 调度的基本单位实际上是线程，而我们的场景 sysbench 模拟的也是线程的调度问题，那么，是不是 pidstat 忽略了线程的数据呢？
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。
所以，我们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 1
08:14:05 UID TGID TID cswch/s nvcswch/s Command
...
08:14:05 0 10551 - 6.00 0.00 sysbench
08:14:05 0 - 10551 6.00 0.00 |__sysbench
08:14:05 0 - 10552 18911.00 103740.00 |__sysbench
08:14:05 0 - 10553 18915.00 100955.00 |__sysbench
08:14:05 0 - 10554 18827.00 103954.00 |__sysbench
...
现在你就能看到了，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。
我们已经找到了上下文切换次数增多的根源，那是不是到这儿就可以结束了呢？
当然不是。不知道你还记不记得，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。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。我们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。
我们还是在第三个终端里， Ctrl+C 停止刚才的 pidstat 命令，然后运行下面的命令，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: 2450431 5279697 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。
通过这个案例，你应该也发现了多工具、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。
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

今天，我通过一个 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。

思考

最后，我想请你一起来聊聊，你之前是怎么分析和排查上下文切换问题的。你可以结合这两节的内容和你自己的实际操作，来总结自己的思路。
欢迎在留言区和我讨论，也欢迎把这篇文章分享给你的同事、朋友。我们一起在实战中演练，在交流中学习。
分享给需要的人，Ta购买本课程，你将得20元
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 写留言

精选留言(207)

  • 行者
    2018-11-28
    结合前两节，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。

    作者回复: 👍

    206
  • lupguo
    2018-12-03
    1. stress和sysbench两个工具在压测过程中的对比发现： stress基于多进程的，会fork多个进程，导致进程上下文切换，导致us开销很高； sysbench基于多线程的，会创建多个线程，单一进程基于内核线程切换，导致sy的内核开销很高； 具体可以通过vmstat对比 stress -c 8 -i 16 -t 600 vmstat 1 5 sysbench --threads=20 --time=300 threads run vmstat 1 5 2. 和鸟哥说的一样，不懂多看man，see also的命令基本涵盖了老师讲解的 3. 建议结合操作系统完成后，再看这块教程，整体会更系统性，看问题会更加客观 希望对大家有帮助
    展开
    共 6 条评论
    113
  • 发条橙子 。
    2018-12-02
    案例分析 ： 登录到服务器，现在系统负载怎么样 。 高的话有三种情况，首先是cpu使用率 ，其次是io使用率 ，之后就是两者都高 。 cpu 使用率高，可能确实是使用率高， 也的可能实际处理不高而是进程太多切换上下文频繁 ， 也可能是进程内线程的上下文切换频繁 io 使用率高 ， 说明 io 请求比较大， 可能是 文件io 、 网络io 。 工具 ： 系统负载 ： uptime （ watch -d uptime）看三个阶段平均负载 系统整体情况 ： mpstat （mpstat -p ALL 3） 查看 每个cpu当前的整体状况，可以重点看用户态、内核态、以及io等待三个参数 系统整体的平均上下文切换情况 ： vmstat (vmstat 3) 可以重点看 r （进行或等待进行的进程）、b （不可中断进程/io进程） 、in （中断次数） 、cs（上下文切换次数） 查看详细的上下文切换情况 ： pidstat （pidstat -w(进程切换指标)/-u（cpu使用指标）/-wt(线程上下文切换指标)） 注意看是自愿上下文切换、还是被动上下文切换 io使用情况 ： iostat 模拟场景工具 ： stress ： 模拟进程 、 io sysbench ： 模拟线程数
    展开

    作者回复: 总结的很好，继续保持👍

    共 4 条评论
    78
  • 酱油侠
    2018-11-29
    我用的centos，yum装的sysbench。执行后很快完事了的可以设置下max-requests，默认max-requests是1w所以很快就结束了。 sysbench --num-threads=10 --max-time=300 --max-requests=10000000 --test=threads run 有的朋友/proc/interrupts时看不见RES是因为窗口开太小了RES在最下面。

    作者回复: 👍 谢谢分享经验，其他用centos的同学可以参考一下

    共 10 条评论
    63
  • 冯宇
    2018-11-30
    友情提醒，sudo -i就可以快速切换到root啦😄 不加-i的话是以非登录模式切换，不会拿到root的环境变量
    共 1 条评论
    47
  • discoverer-tab
    2018-11-28
    过多上下文切换会缩短进程运行时间 vmstat 1 1：分析内存使用情况、cpu上下文切换和中断的次数。cs每秒上下文切换的次数，in每秒中断的次数，r运行或等待cpu的进程数，b中断睡眠状态的进程数。 pidstat -w 5：查看每个进程详细情况。cswch（每秒自愿）上下文切换次数，如系统资源不足导致，nvcswch每秒非自愿上下文切换次数，如cpu时间片用完或高优先级线程 案例分析： sysbench：多线程的基准测试工具，模拟context switch 终端1：sysbench --threads=10 --max-time=300 threads run 终端2：vmstat 1：sys列占用84%说明主要被内核占用，ur占用16%；r就绪队列8；in中断处理1w，cs切换139w==>等待进程过多，频繁上下文切换，内核cpu占用率升高 终端3：pidstat -w -u 1：sysbench的cpu占用100%（-wt发现子线程切换过多），其他进程导致上下文切换 watch -d cat /proc/interupts ：查看另一个指标中断次数，在/proc/interupts中读取，发现重调度中断res变化速度最快 总结：cswch过多说明资源IO问题，nvcswch过多说明调度争抢cpu过多，中断次数变多说明cpu被中断程序调用
    展开

    作者回复: 总结的好👍

    29
  • miracle
    2018-11-28
    发现一个不太严谨的地方，即使没有开sysbench，用watch -d /proc/interrupts的时候 RES的变化也是最大的，这个时候in跟cs都不高

    作者回复: 中断次数是多少？

    共 9 条评论
    12
  • Haku
    2018-11-28
    Ubuntu16.04LTS下: # 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 --num-threads=10 --max-time=300 --test=threads run

    作者回复: 赞👍

    10
  • 多襄丸
    2020-07-01
    说RES=0的同学，你一定是设置了CPU个数=1。
    共 1 条评论
    9
  • cuikt
    2019-04-30
    可以通过以下指令进行排序，观察RES。 watch -d 'cat /proc/interrupts | sort -nr -k 2 '

    作者回复: 谢谢分享，sort、cat 都是所有人都需要掌握的基础工具

    共 4 条评论
    9
  • CYH
    2018-11-28
    老师请教一下：我的是centos7系统，执行sysbetch后，watch -d cat /proc/interrupts并没有发现您文中描述的重调度中断指标呢？
    共 6 条评论
    9
  • echo
    2018-11-28
    老师你好，有个难题希望能指导一下排查 我有个系统，跑的是32核48G的云主机，load经常超过CPU核数，峰值时load5可达到CPU核数的3倍， 但是CPU利用率不超过50%左右。 其他关键数据：I/O wait 不超过0.1， 网络流量没超出网卡QOS，R状态的进程数也就一两个，没有D状态的进程。系统只要跑一个CPU密集型的Java进程，线程数2-3k。另外load、CPU、网卡流量的曲线是一致的。 通读了你的第二篇文章，按文章指导能排查的都排查了，接下来应该从哪方面着手定位load高的根因呢？
    展开

    作者回复: CPU使用率都是哪种高？具体到每个线程，又是哪种CPU使用率高？先找出最高的类型再继续分析

    8
  • 茴香根
    2018-11-28
    打卡本节课程，在使用Linux一些监控命令行时候常常碰到列宽和下面的的数据错位的情况，比如数据过大，占了两列，导致数据错位，不方便观察，不知老师可有好的工具或方法解决。

    作者回复: 这是常见的问题，一般用宽显示器会好些

    7
  • Linuxer
    2018-11-28
    我们之前是如果系统CPU不高根本不会去关注上下文切换，但是这种情况下以前也观测到cs有几十万的情况，所以我想请教一个问题，什么情况下需要关注上下文切换呢？

    作者回复: 是的，cs值不是绝对的，所以最好是监控起来，看变化情况，比如是不是数量级的增长

    7
  • 罗辑思维
    2020-02-19
    CPU上下文切换 三个场景识切换：进程上下文切换、线程上下文切换以及中断上下文切换。 二个概念牢牢记：自愿上下文切换、非自愿上下文切换。 一个中断不要忘：中断次数。
    6
  • wanlinwang
    2019-07-16
    进程状态说明 R (task_running) : 可执行状态 S (task_interruptible): 可中断的睡眠状态 D (task_uninterruptible): 不可中断的睡眠状态 T(task_stopped or task_traced)：暂停状态或跟踪状态 Z (task_dead - exit_zombie)：退出状态，进程成为僵尸进程 X (task_dead - exit_dead)：退出状态，进程即将被销毁 文章中写的是b状态是不可中断的睡眠状态，哪个是正确的？
    展开

    作者回复: 不同工具的输出格式不完全一样，文章中的b其实就是D状态的进程

    6
  • 姜小鱼
    2018-11-28
    老师 为什么我执行sysbench之后很快就结束了？sysbench --num-threads=10 --max-time=600 --test=threads run 我用的是ubuntu16

    作者回复: 有没有报错误？可以加上—debug看看有没有错误消息

    共 2 条评论
    6
  • glinuxer
    2018-11-28
    Pidstats确实是把利器啊
    6
  • Geek_5258f8
    2019-01-02
    老师，请教一个问题:线程多了会带来性能下降。我们假定一个理想境，所有线程优先级相同，即除了时间片到期切换外，无其他触发条件。那1s内发生的线程切换次数是相同的，即1s/20ms次。从这个角度思考，线程的多少并不影响cpu的整体吞吐量。只是影响对某单个线程的响应时间。我的理解对吗？(这里也去掉了cache失效的影响)
    5
  • yyl
    2020-08-01
    “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；” 是否可以这样理解： 自愿上下文切换，是任务在竞争除CPU的其他资源，其他资源成为瓶颈； 非自愿上下文切换，是任务在竞争CPU，由于执行优先级 或 执行时间片达到等导致的强制释放CPU资源
    展开
    3