简介
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。
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。
vmstat & pidstat 工具
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。
# 每隔 5 秒输出 1 组数据 vmstat 5 复制代码
[root@node2 sysstat]# vmstat 5 procs ----memory---- ------ --swap-- -----10-----system-- ------cpu---- swpdfree buff cache si SO bi bo in cs us sy id wa st 15 145392 251820 1896860 1 291 日1198 0 8 0 144888 251820 1896952 5 3951 1594 100 0 0 0 10 0 145408 251820 1896952 26 4736 1564900
每列的含义：
- 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状态的进程数。
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，需要使用pidstat -w选项，就可以查看每个进程上下文切换的情况了
[root@node2 sysstat]# pidstat -w5 Linux 3.10.0-957.21.3.el7.x86 64(node2) 07/14/2021 _x86_64_ (2 CPU) 04:45:01 PM UID PID cswch/s nvcswch/s Command 04:45:06 PM 3.19 systemd 04:45:06 PM 1.20 0.0 ksoftirgd/0 04:45:06 PM 0.40 0.0 migration/0 9 04:45:06 PM 63.27 0.日日 rcu_sched 04:45:06 PM 日 11 0.20 watchdog/0 04:45:06 PM 12 0.20 watchdog/1 04:45:06 PM 日 13 0.80 migration/1 04:45:06 PM 14 1.40 0. ksoftirqd/1 04:45:06 PM 日 37 0.20 khugepaged 04:45:06 PM 1227 0.80 kworker/1:1H 04:45:06 PM 日 1326 0.80 0.20 jbd2/vda1-8 04:45:06 PM 1419 2.59 systemd-journal 04:45:06 PM 81 2749 0.80 dbus-daemon 04:45:06 PM 2754 0.60 systemd-logind 04:45:06 PM 3630 0.40 0.sshd 04:45:06 PM 999 3819 9.98 redis-server 04:45:06 PM 日 4855 8.58 kworker/0:2 04:45:06 PM 7127 0.20 barad agent 04:45:06 PM 7137 1.80 barad agent 04:45:06 PM 7629 1.20 kworker/1:1 04:45:06 PM 13906 1.00 kworker/u4:2 04:45:06 PM 日 16427 0.20 YDEdr 04:45:06 PM 20872 0.20 kworker/0:0 日 04:45:06 PM 日 22308 0.20 pidstat 04:45:06 PM04:45:06 PM04:45:06 PM日223212232225749 0.60 2.20 1.40 0.20 sshd sshd kworker/0:1@ 04:45:06 PM 28971 3.59 kworker/1:0
每列的含义：
- PID: 进程号
- cswch/s: 表示每秒自愿上下文切换（voluntary context switches）的次数
- nvcswch/s: 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。
案例假设
准备
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。在这次案例中，我们把它当成一个异常进程来看待使用，作用是模拟上下文切换过多的问题。
# 安装sysbench、sysstat apt install sysbench sysstat 或 yum install sysbench sysstat 复制代码
场景一：模拟多线程调度瓶颈
上下文切换排查
- 在第一个终端里运行
sysbench --threads=10 --max-time=300 threads run
- （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）
- 在第二个终端运行
vmstat 1，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）
[ root @node2~ l # vmstat 1 p rO CS - memorry -- -- swap -- s1 S0 : system -- in cs us sy id wa st 1119800 61336142262928@7612 SWpd free buff 0223180245332 0223048245332 cache 18258881825888 61 00 29
对比发现，cs列 的上下文切换次数从之前的 1 骤然上升到了 142 万。同时其他指标：
r 列：就绪队列的长度已经到了6~8，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近100%，其中系统 CPU 使用率，也就是 sy 列高达 70%，说明 CPU 主要是被内核占用了。
in 列：中断次数也上升到了 6 万左右，说明中断处理也是个潜在的问题。
综合这几个指标，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。
- 在第三个终端再用
pidstat -w -u 1来看一下是什么进程导致了这些问题 （-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，1 每隔 1 秒输出 1 组数据） 
从 pidstat 的输出发现，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（nvcswch/s）最高的 pidstat ，以及自愿上下文切换频率较高的内核线程 kworker 和 sshd。
pidstat -wt 1输出的线程上下文切换次数 （ -wt 参数表示输出线程的上下文切换指标）第 [3] 步得到的切换次数比 vmstat 的 142 万明显小了太多，因为Linux 调度的基本单位实际上是线程，而场景 sysbench 模拟的是线程的调度问题，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。
31495 32211 32212 32213 32214 32215 32216 32217 32218 32219 32220 kwo rker /1:3 ( sysbench )._ sysbench sysbench sysbench sysbench sysbench sysbench sysbench sysbench sysbench sysbench 0.00 ntpdate - I ntnrdata 20063.00 118193.00 27086.00105070.00 13982.00140562.00 18298.00121395.00 17106.00116920.00 25856.00116145.00 22078.00120336.00 27865.00101741.0018605.00117501.00 25621.00116188.00 32241 6.00
中断次数与类型排查
怎样才能知道中断发生的类型呢？
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。
通过运行watch -d cat /proc/interrupts，观察中断的变化情 （-d 参数表示高亮显示变化的区域）
Every 2.0s:cat /proc/interrupts CPUO CPUI 日: 100 IO-APIC-edge timer 1 10 IO-APIC-edge i8042 0 4: 639 3 IO-APIC-edge IO-APIC-edge serial floppy 日 6: 8: IO-APIC-edge rtc0 日 10: IO-APIC-fasteoi IO-APIC-fasteoi acpi virtio2 9: 0 0 0 11: I0-APIC-fasteoi uhci hcd:usbl 12: 15 IO-APIC-edge i8042 14: 17234954 IO-APIC-edge ata_piix 15: IO-APIC-edge ata_piix 24: 日 PCI-MSI-edge virtio0-config 25: 50491709 PCI-MSI-edge virtio0-input.0 26: 838 PCI-MSI-edge virtio0-output.0 27: 2 44627787 PCI-MSI-edge virtio0-input.l 28: 1 824 PCI-MSI-edge virtio0-output.l 日 29: PCI-MSI-edge virtiol-config 0 30: 41596498 PCI-MSI-edge virtiol-reg.0 NMI: Non-maskable interrupts 0 LOC: 187767727 260431111 Local timer interrupts SPU: Spurious interrupts PMI: Performance monitoring interrupts IWI: 170097775 172534312 IRO work interrupts RTR: APTC TOR read retrieg RES: 636306139 651319835 Rescheduling interrupts CAL 827 23082840 Function call interrupts TLB: 25920181 251945674 TLB shootdowns TRM: Thermal event interrupts THR: Threshold APIC interrupts DFR: Deferred Error APIc interrupts MCE: Machine check exceptions MCP: ERR: 58828 日 58828 Machine check polls
观察一段时间，可以发现，变化速度最快的是重调度中断（RES），
重调度中断（RES） : 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-ProcessorInterrupts，IPI）。
每秒上下文切换多少次才算正常
这个数值其实取决于系统本身的 CPU 性能。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。
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
