CPU上下文切换

上下文切换分类

多个进程在竞争CPU时也会导致负载升高，罪魁祸首就在于CPU的上下文切换。
CPU上下文的定义：每个任务运行前CPU都知道==从哪里进行加载==，==从哪里开始运行==，这就需要在切换时帮线程设置好==cpu寄存器==和==程序计数器==。

CPU上下文切换类型

• 进程上下文切换
• 线程上下文切换
• 中断上下文切换

线程是cpu调度的基本单位，而进程是资源拥有的基本单位。内核中的资源调度实际上是线程调度，而进程只是给线程提供了虚拟内存，全局变量等资源。所以可以这么理解线程和进程

• 当进程只有一个线程时，可以认为进程就等于线程
• 当进程拥有多个线程时，这些线程会共享相同的虚拟内存和全局变量等资源。这些资源在上下文切换时是不需要修改的。
• 线程也有自己的私有数据，比如栈和寄存器等，这些在上下文切换时也需要保存

如此线程上下文切换就分为两种

• 切换前后两个线程属于不同进程，因为资源不共享，所以切换过程就跟进程切换一样
• 切换前后两个线程属于同一进程，因为虚拟内存是共享的，所以在切换时，虚拟内存这些资源就保持不动，只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据。

相关命令

• vmstat查看机器总体指标情况，包括上下文切换
• pidstat 可以查看具体进程的上下文切换情况

vmstat

# 每隔 5 秒输出 1 组数据
$ 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
 0  0      0 7005360  91564 818900    0    0     0     0   25   33  0  0 100  0  0

- 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。

pidstat

这里需要注意，该命令默认只统计进程粒度的指标，所以看到上下文切换次数要比vmstat命令少很多。需要加上-t参数才能统计到线程数据。

# 每隔 5 秒输出 1 组数据
$ pidstat -w 5
Linux 4.15.0 (ubuntu)  09/23/18  _x86_64_  (2 CPU)

08:18:26      UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command
08:18:31        0         1      0.20      0.00  systemd
08:18:31        0         8      5.40      0.00  rcu_sched

- cswch/s自愿上下文切换，是指进程无法获取所需自愿导致的上下文切换，比如IO、内存等资源不足时就会发生自愿上下文切换
- nvcswch/s非自愿上下文切换，是指cpu时间片已到，被系统强制调度产生的上下文切换

小结

• 自愿上下文切换过多，说明进程都在等待资源，可能是由于进程都在等待资源，IO、内存等可能是瓶颈
• 非自愿上下文切换过多，说明进程都在争抢CPU，CPU可能是瓶颈