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怒啃 24 小时,终于搞懂上下文切换!原创

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大家好,我是树哥。

对于服务器系统来说,上下文切换也是影响系统性能的一个重要因素。深入理解上下文切换的原理,有利于我们做好性能优化工作。今天我将带大家了解下上下文切换的几种情形,以及其背后发生切换的具体信息,接着介绍一些监测上下文切换指标的工具,最后总结一些上下文切换异常可能得场景。
image1.png

1. 什么是上下文切换?

我们知道 Linux 是一个多任务操作系统,它能支持远大于 CPU 数量的任务同时运行。但实际上同一时刻只会有 CPU 数量的进程在运行,等 CPU 时间片到了之后,进程调度器就会把 CPU 资源分配给其他进程。
在这个过程中就会涉及到进程之间的切换,这时候就需要将当前进程的上下文信息保存下来,随后加载被调度进程的上下文信息,这就是上下文切换。
这里所说的上下文信息,既包括虚拟内存、栈、全局变量等用户态的资源,也包括内核堆栈、寄存器等内核态的资源。不同类型的上下文切换,会涉及到不同类型资源的切换,例如:同一进程不同线程的切换,只需要切换内核态的资源,而不需要切换用户态的资源。

2. 上下文切换类型

上下文还分为了三种类型,分别是:

  • 进程上下文切换
  • 线程上下文切换
  • 中断上下文切换

进程上下文切换

进程上下文切换指的是不同进程之间发生切换。一般来说,进程被调度有如下几个时机:

  1. 某个进程时间片耗尽,会被系统挂起,切换到其他等待 CPU 的进程。
  2. 进程所需系统资源不足,需要等到资源满足时才可运行,此时会被挂起,其他进程会被调度。
  3. 进程通过 sleep 方法主动挂起,其他进程就有机会被调度。
  4. 有更高优先级的进程,当前进程会被挂起,高优先级进程会被调度。
  5. 硬件中断时,CPU 上的进程会被中断挂起,转而执行内核中的中断服务程序。

当发生如上几种情况的时候,就会发生进程调度,进而发生进程上下文切换。

线程上下文切换

我们都知道进程是资源分配的基本单位,线程是调度的基本单位,进程只是给线程提供了虚拟内存等资源。而线程上下文切换,就可以分为两种情况:

  1. 进程调度前后的两个线程,属于同一进程。此时因为资源共享,所以在切换的时候虚拟内存等这些资源就不需要变化,只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据。
  2. 进程调度前后的两个线程,不属于同一进程。这时候因为资源部共享,所以切换过程和进程上下文切换是一样的。

所以你会发现同进程内的线程切换,要比多进程间的切换消耗更少的资源,这其实就是多线程比起多进程的一个优势。

中断上下文切换

中断上下文切换指的是为了响应硬件的事件,中断处理会打断进程的正常调度和执行,转而调用中断处理程序,响应设备事件。而在打断其他进程时,就需要将当前的状态保存下来。这样在中断结束后,进程仍然可以从原来的状态恢复运行。
中断上下文切换,并不需要保存和恢复进程的虚拟内存等用户态资源,只需要处理 CPU 寄存器、内核堆栈等内核态的资源即可。

分析工具

查看系统的上下文切换情况,有三个工具可以使用,分别是:vmstat 命令、pidstat 命令、/proc/interrupts 文件。

vmstat 命令

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。该命令的语法格式为:

vmstat <选项> <时间间隔> <报告次数>

其中常用的选项有:
-a:显示活动内页;-f:显示启动后创建的进程总数;-m:显示 slab 信息;-n:头信息仅显示一次;-s:以表格方式显示事件计数器和内存状态;-d:报告磁盘状态;-p:显示指定的硬盘分区状态;-S:输出信息的单位。

我们执行 vmstat 5 命令后,会每隔 5 秒输出一次结果,如下所示。

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 6893400   2352 563768    0    0     2   425  153   32  1  3 96  0  0

其中与上下文相关的 4 列内容如下:

  • 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。

可以看到上面输出中上下文切换次数 cs 是 32 次,而系统中断次数 in 是 153 次,而就绪队列长度 r 和不可中断状态进程数 b 都是 0。

pidstat 命令

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。 例如执行如下命令,我们可以得到每个进程的上下文切换情况了。

// 每隔 5 秒输出一次结果
// -w 表示显示每个进程的上下文切换情况
[root@iZwz92ezhi90syoqbgjgn1Z ~]# pidstat -w 5
Linux 4.18.0-348.7.1.el8_5.x86_64 (iZwz92ezhi90syoqbgjgn1Z)  23/08/22  _x86_64_ (4 CPU)

15:04:39      UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command
15:04:44        0         1      0.20      0.00  systemd
15:04:44        0        11     27.94      0.00  rcu_sched
15:04:44        0       497     19.56      0.00  xfsaild/vda3
15:04:44        0       603      0.20      0.00  systemd-journal
15:04:44        0       829      0.40      0.00  sssd_be
15:04:44        0       831      1.60      0.00  sssd_nss
15:04:44        0      3931      0.40      0.00  kworker/2:0-mm_percpu_wq
15:04:44        0      3998      0.40      0.00  kworker/1:0-mm_percpu_wq
15:04:44        0      4005      0.20      0.00  kworker/u8:0-flush-253:0
15:04:44        0      4021      0.80      0.00  kworker/3:2-mm_percpu_wq
15:04:44        0      4037      5.99      0.00  kworker/0:0-events

上述结果中的 cswch 与 nvcswch 是重点关注的对象。cswch 表示每秒自愿上下文切换(voluntary context switches)的次数,nvcswch 表示每秒非自愿上下文切换(non voluntary context switches)的次数。

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。

/proc/interrupts 文件

我们可以通过 vmstat 获取中断的次数,但是我们却无法获取中断类型。实际上我们可以通过 /proc/interrupts 文件获取中断的详细信息。/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。
我们可以通过如下命令,动态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:    4385721    4430589    3732298    4259089   Rescheduling interrupts
...

通过这种方式,我们就可以知道具体是哪种中断类型出现异常,从而定位到具体的资源。

如何排查异常?

今天我们深入了解了一下上下文切换这个指标,但每秒上下文切换多少次才算正常呢?

这个数值取决于系统本身的 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。
具体遇到问题的时候,需要根据变化的上下文切换类型,再做具体的分析。例如:

  • 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。

总结

首先,我们先介绍了上下文切换的概念,以及上下文切换可能会包含用户态资源和内核态资源。

接着,我们介绍了三种上下文切换类型,即:进程上下文切换、线程上下文切换、中断上下文切换,并分析其切换包括的资源类型。

接着,我们介绍了 vmstat 命令、pidstat 命令、/proc/interrupts 三种分析工具。其中 vmstat 命令用户查看系统整体上下文切换情况,pidstat 命令用户查看进程的上下文切换情况,/proc/interrupts 文件用户查看中断类型及详细情况。

最后,解释了合理的上下文切换次数应该是数百到一万每秒以内。但具体的问题排查,还需要根据上下文切换类型去分析。

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