CPU 上下文
CPU 上下文
CPU 寄存器
程序计数器
存储 CPU 正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置
CPU 上下文切换
切换过程
先把前一个任务的 CPU 上下文（也就是 CPU 寄存器和程序计数器）保存起来
然后加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器
最后再跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务
保存下来的上下文，会存储在系统内核 中，并在任务重新调度执行时再次加载进来
CPU特权等级 & 进程运行空间 & 系统调用
进程的运行空间 分为内核空间 和用户空间
内核空间（Ring 0）
用户空间（Ring 3）
只能访问受限资源，不能直接访问内存等硬件设备，必须通过系统调用 陷入到内核中，才能访问这些特权资源
进程在用户空间 运行时，被成为进程的用户态 ；而陷入内核空间 的时候，被称为进程的内核态
系统调用 的过程会发生 CPU 上下文的切换
一次系统调用，发生了两次 CPU 上下文切换 CPU 寄存器里原来用户态的指令位置，需要先保存起来。接着，为了执行内核态代码，CPU 寄存器需要更新为内核态指令的新位置。最后才是跳转到内核态运行内核任务
而系统调用结束后，CPU 寄存器需要恢复原来保存的用户态，然后再切换到用户空间，继续运行进程
在系统调用 过程中，不会涉及到虚拟内存 等进程用户态的资源 ，也不会切换进程
系统调用 过程中一直是同一个进程 在运行
系统调用过程通常称为特权模式切换 ，而不是上下文切换
系统调用过程中，CPU 的上下文切换还是无法避免 的
CPU 上下文切换的分类 任务分类：进程 、线程 、中断
进程上下文切换 进程上下文切换 VS 系统调用
进程是由内核来管理和调度的，进程的切换只能发生在内核态
进程的上下文不仅包括用户空间 的资源（虚拟内存、栈、全局变量），还包括内核空间 的状态（内核堆栈、寄存器）
进程的上下文切换 比系统调用 多了一步（用户态资源 ：虚拟内存等）
在保存当前进程的内核状态和 CPU 寄存器之前，需要先把该进程的虚拟内存、栈等保存下来（用户态 ）
而加载了下一进程的内核态后，还需要刷新进程的虚拟内存和用户栈
保存上下文和恢复上下文的过程并不是免费的，需要内核在 CPU 上运行 才能完成
每次上下文切换都需要几十纳秒 到数微秒 的 CPU 时间 – 相当可观
进程切换
Linux 为每个 CPU 都维护了一个就绪队列 ，将活跃进程 （即正在运行 和正在等待 CPU 的进程）按照优先级和等待 CPU 的时间排序
进程调度的场景
进程执行完成 ，释放之前使用的CPU，此时再从 CPU 的就绪队列中，拿一个新的进程来运行
当某个进程的时间片耗尽 ，会被系统挂起 ，切换到正在等待 CPU 的进程运行 – 非自愿上下文切换
进程在系统资源不足 （如内存不足），进程也会被挂起 ，并由系统调度其它进程运行 – 自愿上下文切换
进程通过sleep 方法将自己主动挂起
当有优先级更高 的进程运行时，当前进程可能会被挂起
发生硬件中断 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
线程上下文切换
线程 是调度 的基本单位，进程 则是资源拥有 的基本单位
内核中的任务调度，实际的调度对象是线程
进程只是给线程提供了虚拟内存 、全局变量 等资源
等价理解
当进程只有一个线程时，进程等于线程
当进程有多个线程时，这些线程会共享相同的虚拟内存 和全局变量 等资源
线程也有自己的私有数据，如栈 和寄存器
切换场景
前后两个线程属于不同进程 ，此时资源不共享，切换过程等同于进程上下文切换
前后两个线程属于同一个进程 ，此时虚拟内存 是共享的
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
多线程替代多进程的一个优势：适用于需要频繁切换 的场景
中断上下文切换
为了快速响应硬件的事件，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
与进程上下文不同，中断上下文切换并不涉及到进程的用户态
即便中断过程打断了一个正处在用户态的进程，也不需要保存和恢复这个进程的虚拟内存、全局变量等用户态资源
中断上下文 ，其实只包括内核态 中断服务程序执行所必需的状态，包括 CPU 寄存器、内核堆栈、硬件中断参数等
对同一个 CPU 来说，中断处理比进程拥有更高的优先级 ，所以中断上下文切 换并不会与进程上下文切换 同时发生
小结
切换类型
特点
系统调用
1. 同一进程内执行，不切换进程
进程上下文切换
用户态资源 + 内核态资源
线程上下文切换
1. 同进程；共享数据无需切换
中断上下文切换
1. 更高优先级
工具
工具
用途
vmstat 常用的系统性能分析工具CPU 上下文切换 和中断 的次数
pidstat vmstat提供系统总体的上下文切换情况，通过pidstat -w 查看每个进程的详细情况
/proc/interrupts /proc 是 Linux 的一个虚拟文件系统 ，用于内核空间 和用户空间 之间的通信只读 的中断使用情况
sysbench 多线程的基准测试工具，用来评估不同系统参数下的数据库负载情况上下文切换过多 的情况
vmstat 1 2 3 4 5 6 root@ubuntu:~# vmstat 5 3 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 2687000 143792 818280 0 0 15 50 116 140 7 2 91 0 0 0 0 0 2687000 143796 818280 0 0 0 4 165 210 0 0 100 0 0 0 0 0 2687000 143800 818284 0 0 0 5 164 206 0 0 100 0 0
cs （context switch）：每秒上下文切换的次数in （interrupt）：每秒中断的次数r （Running or Runnable）：就绪队列 的长度，正在运行和等待 CPU 的进程数b （Blocked）：处于不可中断睡眠状态的进程数
pidstat -w 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 root@ubuntu:~# pidstat -w 5 Linux 5.4.0-62-generic (ubuntu) 02/03/21 _x86_64_ (2 CPU) 02:19:42 UID PID cswch/s nvcswch/s Command 02:19:47 0 10 8.96 0.00 ksoftirqd/0 02:19:47 0 11 20.92 0.00 rcu_sched 02:19:47 0 12 0.20 0.00 migration/0 02:19:47 0 17 0.20 0.00 migration/1 02:19:47 0 208 0.20 0.00 irq/16-vmwgfx 02:19:47 0 333 0.20 0.00 kworker/1:1H-kblockd 02:19:47 0 356 0.40 0.00 kworker/0:1H-kblockd 02:19:47 0 419 0.60 0.40 jbd2/dm-0-8 02:19:47 0 491 0.60 0.00 systemd-journal 02:19:47 0 694 1.20 0.00 multipathd 02:19:47 0 743 11.16 0.00 vmtoolsd 02:19:47 1000 4491 1.39 0.00 sshd 02:19:47 1000 4594 0.40 0.00 sshd 02:19:47 0 8089 1.79 1.79 watch 02:19:47 0 8180 0.20 0.00 mpstat 02:19:47 0 29689 8.57 0.00 kworker/u256:2-events_power_efficient 02:19:47 0 31207 7.97 0.20 kworker/1:0-events 02:19:47 0 32230 34.46 8.17 kworker/0:0-pm 02:19:47 0 32532 0.20 0.00 kworker/u256:1-events_unbound 02:19:47 0 34059 1.00 0.00 kworker/0:2-mpt_poll_0 02:19:47 0 34155 0.20 0.00 pidstat
cswch/s
Total number of voluntary context switches the task made per second.
A voluntary context switch occurs when a task blocks because it requires a resource that is unavailable .
自愿上下文切换，进程无法获得所需资源导致的上下文切换，如 IO、内存等系统资源不足时
nvcswch/s
Total number of non voluntary context switches the task made per second.
A involuntary context switch takes place when a task executes for the duration of its time slice and then is forced to relinquish the processor .
非自愿上下文切换，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
如大量进程都在争抢 CPU 时，很容易发生非自愿上下文切换
案例 系统空闲 空闲时，cs 为137，in 为113，r 和b 都是0
1 2 3 4 root@ubuntu:~# 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 2686684 144920 818968 0 0 13 46 113 137 6 2 92 0 0
多线程调度（模拟） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 root@ubuntu:~# sysbench --threads=10 --max-time=300 threads run WARNING: --max-time is deprecated, use --time instead sysbench 1.0.18 (using system LuaJIT 2.1.0-beta3) Running the test with following options: Number of threads: 10 Initializing random number generator from current time Initializing worker threads... Threads started!
vmstat
指标
cs 从137上升到123,150 r 就绪队列的长度达到8 ，远超 CPU 个数，会导致大量的 CPU 竞争us + sy = 100 ，CPU 使用率达到了100%，sy 高达96 ，说明 CPU 主要被内核 占用in 从113上升到8,147
小结
系统的就绪队列 （正在运行和等待 CPU）过长，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
1 2 3 4 5 root@ubuntu:~# 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 7 0 0 2673072 145324 823228 0 0 0 0 7580 118394 4 96 0 0 0 8 0 0 2670552 145324 823228 0 0 0 0 8147 123150 5 95 1 0 0
pidstat -w -u sysbench使用率为199%，但cswch比较小，主要是pidstat默认显示进程的指标数据
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 root@ubuntu:~# pidstat -w -u 1 1 Linux 5.4.0-62-generic (ubuntu) 02/03/21 _x86_64_ (2 CPU) 03:01:55 UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command 03:01:56 0 491 1.00 0.00 0.00 0.00 1.00 0 systemd-journal 03:01:56 0 38285 9.00 190.00 0.00 0.00 199.00 1 sysbench 03:01:56 0 38362 0.00 1.00 0.00 0.00 1.00 1 pidstat 03:01:55 UID PID cswch/s nvcswch/s Command 03:01:56 0 10 10.00 0.00 ksoftirqd/0 03:01:56 0 11 27.00 0.00 rcu_sched 03:01:56 0 18 2.00 0.00 ksoftirqd/1 03:01:56 0 208 2.00 0.00 irq/16-vmwgfx 03:01:56 0 491 2.00 3.00 systemd-journal 03:01:56 0 694 2.00 0.00 multipathd 03:01:56 0 743 11.00 0.00 vmtoolsd 03:01:56 0 31207 8.00 0.00 kworker/1:0-mm_percpu_wq 03:01:56 0 38319 44.00 0.00 kworker/0:0-events 03:01:56 0 38340 7.00 0.00 kworker/u256:0-events_power_efficient 03:01:56 0 38362 1.00 1.00 pidstat
pidstat -w -u -t __sysbench线程的%wait和nvcswch/s都很高，在争抢 CPU
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 root@ubuntu:~# pidstat -w -u -t 1 1 Linux 5.4.0-62-generic (ubuntu) 02/03/21 _x86_64_ (2 CPU) 03:03:04 UID TGID TID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command 03:03:05 0 31207 - 0.00 0.98 0.00 0.00 0.98 1 kworker/1:0-mm_percpu_wq 03:03:05 0 - 31207 0.00 0.98 0.00 0.00 0.98 1 |__kworker/1:0-mm_percpu_wq 03:03:05 0 38285 - 7.84 181.37 0.00 0.00 189.22 1 sysbench 03:03:05 0 - 38286 0.98 17.65 0.00 60.78 18.63 1 |__sysbench 03:03:05 0 - 38287 0.00 18.63 0.00 54.90 18.63 0 |__sysbench 03:03:05 0 - 38288 0.00 18.63 0.00 60.78 18.63 0 |__sysbench 03:03:05 0 - 38289 0.98 16.67 0.00 47.06 17.65 1 |__sysbench 03:03:05 0 - 38290 0.98 19.61 0.00 56.86 20.59 0 |__sysbench 03:03:05 0 - 38291 0.00 19.61 0.00 59.80 19.61 0 |__sysbench 03:03:05 0 - 38292 0.98 18.63 0.00 64.71 19.61 0 |__sysbench 03:03:05 0 - 38293 0.98 17.65 0.00 32.35 18.63 1 |__sysbench 03:03:05 0 - 38294 0.00 17.65 0.00 63.73 17.65 0 |__sysbench 03:03:05 0 - 38295 0.98 16.67 0.00 62.75 17.65 0 |__sysbench 03:03:05 0 38394 - 0.98 0.98 0.00 0.00 1.96 1 pidstat 03:03:05 0 - 38394 0.98 0.98 0.00 0.00 1.96 1 |__pidstat 03:03:04 UID TGID TID cswch/s nvcswch/s Command 03:03:05 0 10 - 7.84 0.00 ksoftirqd/0 03:03:05 0 - 10 7.84 0.00 |__ksoftirqd/0 03:03:05 0 11 - 16.67 0.00 rcu_sched 03:03:05 0 - 11 16.67 0.00 |__rcu_sched 03:03:05 0 18 - 3.92 0.00 ksoftirqd/1 03:03:05 0 - 18 3.92 0.00 |__ksoftirqd/1 03:03:05 0 208 - 0.98 0.00 irq/16-vmwgfx 03:03:05 0 - 208 0.98 0.00 |__irq/16-vmwgfx 03:03:05 0 694 - 0.98 0.00 multipathd 03:03:05 0 - 694 0.98 0.00 |__multipathd 03:03:05 0 - 698 0.98 0.00 |__multipathd 03:03:05 0 743 - 12.75 0.00 vmtoolsd 03:03:05 0 - 743 12.75 0.00 |__vmtoolsd 03:03:05 0 - 769 0.98 0.00 |__HangDetector 03:03:05 0 31207 - 3.92 0.00 kworker/1:0-mm_percpu_wq 03:03:05 0 - 31207 3.92 0.00 |__kworker/1:0-mm_percpu_wq 03:03:05 0 37864 - 43.14 0.98 kworker/0:2-events 03:03:05 0 - 37864 43.14 0.98 |__kworker/0:2-events 03:03:05 0 - 38286 1619.61 10933.33 |__sysbench 03:03:05 0 - 38287 1710.78 12132.35 |__sysbench 03:03:05 0 - 38288 1490.20 6037.25 |__sysbench 03:03:05 0 - 38289 2418.63 5999.02 |__sysbench 03:03:05 0 - 38290 1464.71 12793.14 |__sysbench 03:03:05 0 - 38291 1267.65 13917.65 |__sysbench 03:03:05 0 - 38292 737.25 12780.39 |__sysbench 03:03:05 0 - 38293 3509.80 5676.47 |__sysbench 03:03:05 0 - 38294 1344.12 7692.16 |__sysbench 03:03:05 0 - 38295 1077.45 9229.41 |__sysbench 03:03:05 0 38319 - 1.96 0.00 kworker/0:0-events 03:03:05 0 - 38319 1.96 0.00 |__kworker/0:0-events 03:03:05 0 38340 - 4.90 0.00 kworker/u256:0-events_power_efficient 03:03:05 0 - 38340 4.90 0.00 |__kworker/u256:0-events_power_efficient 03:03:05 0 38394 - 0.98 3.92 pidstat 03:03:05 0 - 38394 0.98 3.92 |__pidstat
/proc/interrupts
中断 只发生在内核态 ，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变化速度最快的是 RES （重调度中断）
唤醒空闲状态的 CPU 来调度新的任务运行 在多处理器系统（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 ）
1 2 3 4 5 root@ubuntu:~# watch -d cat /proc/interrupts CPU0 CPU1 ... RES: 3836812 3200375 Rescheduling interrupts ...
小结
上下文切换多少次算正常
取决于系统本身的 CPU 性能（几百~一万 ）
超过一万次 或者切换次数出现数量级 的增长，可能出现了性能问题
根据上下文切换的类型，做具体分析
自愿上下文切换 变多，进程都在等待资源 ，有可能发生 IO 等问题非自愿上下文切换 变多，进程都在被强制调度 ，都在争抢 CPU，CPU 成为了瓶颈 中断 次数变多，CPU 被中断处理程序占用，通过**/proc/interrupts**来分析具体的中断类型
