CPU-上下文切换
一、cpu上下文切换介绍
分类：进程上下文切换、线程上下文切换、中断上下文切换
危害：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
参考范围：这个数值其实取决于系统本身的 CPU 性能。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。
二、查看上下文切换的工具
在查看上下文切换中可以用到的工具：
vmstat：可以查看系统的cup上下文使用情况
pidstat：可以查看每个进程上下文切换的情况
工具1：vmstat 主要用来分析系统的内存使用情况，也常用来分析系统总体的 CPU 上下文切换和中断的次数。
命令介绍：
//每隔五秒输出一组数据------给出了系统总体的上下文切换情况
[root@zilong ~]# 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
1 0 0 709020 176240 754816 0 0 1 2 22 35 1 0 98 0 0cs（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
工具2：pidstat -w 可以查看每个进程上下文切换的情况
命令介绍：
[root@zilong ~]# pidstat -w 5
Linux 3.10.0-1160.108.1.el7.x86_64 (zilong) 03/08/2024 _x86_64_ (2 CPU)
05:05:02 PM UID PID cswch/s nvcswch/s Command
05:05:07 PM 0 1 0.80 0.00 systemd
05:05:07 PM 0 9 46.20 0.00 rcu_sched
05:05:07 PM 0 11 0.20 0.00 watchdog/0cswch ，表示每秒自愿上下文切换（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
nvcswch ，表示每秒非自愿上下文切换（non voluntary context switches）的次数。
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
分析：需要根据上下文切换的类型，再做具体分析：
- 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。
三、上下文切换的问题分析
1.就绪队列过长也就是正在运行和等待 CPU 的进程数过多--------->大量的上下文切换---------->系统 CPU 的占用率升高
# 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
# 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
...2.产生大量中断的问题
中断，它只发生在内核态，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。
# -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
...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）。