>#CPU上下文切换（下） [TOC] 查看系统的上下文切换情况 ------------ >### vmstat工具介绍 tn>`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。 ```bash # 每隔5秒输出1组数据 vmstat 5 ```  >关于结果中每一列的意思： | 列名 | 意义 | | ------------ | ------------ | | `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的进程数。 | tn>可以看到，这个例子中第一个的上下文切换次数 `cs` 是 1978 次，而系统中断次数 `in` 则是 910 次，而就绪队列长度 `r`是3，不可中断状态进程数 `b` 都是 0。 >### pidstat查看每个进程上下文切换的情况 ```bash # 每隔5秒输出1组数据 pidstat -w 5 ```  >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。 tn>有两个重要的概念：<br/> 1.所谓自愿上下文切换，是指进程无法获取所需要资源，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。<br/> 2.而非自愿上下文切换，则是指进程由于时间片等原因，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。 >### sysbech介绍 tn>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。 （运行时，先安装请使用root用户运行） ```bash # 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 ``` >### 案例与分析 <br/> >首先，在第一个终端里运行 sysbench ，模拟系统多线程调度的瓶颈： ```bash # 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： ```bash # 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 ``` tn>cs 列的上下文切换次数从之前的 35 骤然上升到了 139 万.同时也要观察下面几个指标： - `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。 >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: ```bash # 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。<br/> 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？<br/> 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？</br> 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： ```bash # 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 ... ``` >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。<br/> 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。<br/> 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？<br/> 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。<br/> 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： ```bash # -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）。