CPU上下文切换排查

1 压测工具

sysbench，模拟系统多线程调度的瓶颈

yum -y install sysbench
# 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

2 指标

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，那么从数百到上万以内，都应该是正常的。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，很有可能已经出现了性能问题。

3 工具

yum -y install sysstat
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
pidstat ——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pidstat，加上-w，可以查看每个进程上下文切换的情况
/proc/inteerupts——/proc实际上是linux的虚拟文件系统用于内核空间和用户空间的通信，/proc/inteerupts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。

4 命令

vmstat

# 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
cs（context switch）是每秒上下文切换的次数
in   (interrupt)每秒中断的次数
r    (Running or Runnnable)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
分析：
查看cs大小（实验时cs骤升到百万）
同时注意r列（实验时为8），机器cpu为1，远远超过1，必然会有大量的CPU竞争
us和sy列，计算cpu使用率总和（实验加起来快100%，其中sy高达84%，说明cpu主要被内核占用）
in列，查看大小（实验中骤升到一万，说明中断处理也是潜在的问题）
综合可知，系统的就需队列过长，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，而上下文切换导致了cpu占用率高

pidstat查看进程上下文切换情况

# 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
cswch  表示每秒自愿上下文切换的次数，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。
nvcswch 表示每秒非自愿上下文切换的次数，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：
pidstat查看果然是sysbench导致了cpu达到100%，但上下文切换来自其他进程，包括非自愿上下文切换最高的pidstat，以及自愿上下文切换最高的kworker和sshd
但pidtstat输出的上下文切换次数加起来才几百和vmstat的百万明显小很多，现在vmstat输出的是线程，而pidstat加上-t后才输出线程指标

# 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
...
pidstat子线程加一起就差不多百万了。

查看中断——可排查是哪些中断引起的（变化速度最快的）

# -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
...

5 场景

• 根据调度策略，将CPU时间划片为对应的时间片，当时间片耗尽，当前进程必须挂起。
• 资源不足的，在获取到足够资源之前进程挂起。
• 进程sleep挂起进程。
• 高优先级进程导致当前进度挂起
• 硬件中断，导致当前进程挂起

6 小结

• CPU上下文切换，是保证Linux系统正常工作的核心功能之一，一般情况下不需要我们特别关注。
• 但过多的上下文切换，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，从而缩短进程真正运行的时间，导致系统的整体性能大幅下降。
• 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

7 其它

cpu知识扩展

物理cpu——grep ‘physical id’ /proc/cpuinfo|sort|uniq|wc -l
cpu核心——grep ‘cpu cores’ /proc/cpuinfo|uniq|awk -F ‘:’ ‘{print $2}’
逻辑cpu——cat /proc/cpuinfo| grep “processor”|wc -l
逻辑cpu=物理cpu*cpu核心