【操作系统】聊聊CPU上下文切换实操
如何查看系统的上下文切换情况
上一篇文章我们说了过多的上下文切换，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，那么当出现系统的上下文切换过多的时候，我们如果通过监控指标查看呢。
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。
vmstat 5 代表的是5S输出一组
root@qxlxi:/data# vmstat 5
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st0 0 1296640 195580 158788 2402740 0 1 3 23 22 46 0 0 99 0 00 0 1296640 222836 158788 2402740 0 0 0 17 52 92 1 1 99 0 0
- cs（context switch）每秒上下文切换次数
- in (interrupt) 每秒中断的次数
- r (Running or Runnable) 是就绪队列的长度，也就是可运行的进程数（进行和等待）
- b (Blocked) 处于不可中断睡眠状态的进程数
从图中可以看到cs是92次上下文切换 in 52次中断。就绪队列和不可中断进程数都是0
查看每个进程的数据，使用 pidstat -w
root@qxlxi:/data# pidstat -w 5
Linux 5.4.0-100-generic (qxlxi) 09/23/2023 _aarch64_ (2 CPU)12:45:26 PM UID PID cswch/s nvcswch/s Command
12:45:31 PM 0 9 0.20 0.00 ksoftirqd/0
12:45:31 PM 0 10 3.79 0.00 rcu_sched
12:45:31 PM 0 11 0.20 0.00 migration/0
12:45:31 PM 0 17 0.20 0.00 migration/1
12:45:31 PM 0 18 0.40 0.00 ksoftirqd/1
12:45:31 PM 0 365 0.80 0.00 kworker/0:1H-kblockd
12:45:31 PM 0 382 0.20 0.00 kworker/1:1H-kblockd
12:45:31 PM 118 876 1.80 0.00 avahi-daemon
12:45:31 PM 0 885 0.20 0.00 irqbalance
12:45:31 PM 128 1490 0.20 0.00 gsd-color
12:45:31 PM 1000 1615 2.00 0.00 systemd
12:45:31 PM 1000 1708 0.20 0.00 Xorg
12:45:31 PM 1000 1888 0.20 0.00 gnome-shell
12:45:31 PM 1000 2006 0.20 0.00 gsd-color
12:45:31 PM 0 19788 0.20 0.00 systemd-journal
12:45:31 PM 0 60439 1.00 0.00 multipathd
12:45:31 PM 0 88948 4.19 1.60 systemd-udevd
12:45:31 PM 1000 115630 0.20 0.00 gnome-control-c
12:45:31 PM 0 487397 2.00 0.00 kworker/u4:1-events_power_efficient
12:45:31 PM 0 488871 6.99 0.00 kworker/1:1-events
12:45:31 PM 0 489061 0.40 0.00 kworker/u4:0-events_freezable_power_
12:45:31 PM 0 489366 8.18 0.00 kworker/0:2-events
12:45:31 PM 0 489376 0.20 0.00 pidstat
- cswch/s ： 每秒自愿上下文切换（voluntary context switches）的次数
- nvcswch/s：每秒非自愿上下文切换 (non voluntary context switches) 的次数
自愿上下文切换：进程获取不到自愿的时候，发生的上下文切换，比如IO、网络、内存资源不足的时候。
非自愿上下文切换：进程执行时间到了，被系统强制调度，进而发生上下文切换，比如大量进程竞争CPU
场景分析
sysbench --threads=10 --max-time=300 threads run
模拟10个线程执行。
查看总体
root@qxlxi:/data# vmstat 1
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st6 0 1296640 222000 158804 2403064 0 1 3 23 23 21 0 0 99 0 0
10 0 1296640 222000 158804 2403064 0 0 0 80 132863 2924643 15 80 5 0 05 0 1296640 222000 158804 2403064 0 0 0 0 142952 2734656 14 81 5 0 08 0 1296640 222000 158804 2403064 0 0 0 0 157159 2996906 14 85 1 0 07 0 1296640 221968 158804 2403064 0 0 0 0 140886 2726608 13 78 9 0 09 0 1296640 221968 158804 2403064 0 0 0 0 142394 2722918 14 80 6 0 0
查看上下文切换次数升级到200多万，而就绪队列达到了10，us和sy的和达到了100%，sy的占用率80多，肯定有大量的CPU竞争。重点的次数也达到了1W多。
综合分析，就绪队列过长，导致的大量进程上下文切换，从而导致系统CPU占用率更高。
查看进程
pidstat -w -u 1 查看进程上下文切换数据
qxlxi@qxlxi:~$ pidstat -w -u 1
Linux 5.4.0-100-generic (qxlxi) 09/23/2023 _aarch64_ (2 CPU)12:51:09 PM UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command
12:51:10 PM 1000 1699 0.98 0.00 0.00 0.00 0.98 0 gvfs-afc-volume
12:51:10 PM 0 489611 28.43 160.78 0.00 0.00 189.22 0 sysbench
12:51:10 PM 1000 489646 0.00 0.98 0.00 0.00 0.98 1 pidstat12:51:09 PM UID PID cswch/s nvcswch/s Command
12:51:10 PM 0 10 2.94 0.00 rcu_sched
12:51:10 PM 0 18 0.98 0.00 ksoftirqd/1
12:51:10 PM 0 382 0.98 0.00 kworker/1:1H-kblockd
12:51:10 PM 1000 1615 1.96 0.00 systemd
12:51:10 PM 0 60439 0.98 0.00 multipathd
12:51:10 PM 0 487195 6.86 0.00 kworker/0:1-events
12:51:10 PM 0 488871 5.88 0.00 kworker/1:1-events
12:51:10 PM 0 489585 0.98 0.00 kworker/u4:2-events_freezable_power_
12:51:10 PM 1000 489646 0.98 53.92 pidstat12:51:10 PM UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command
12:51:11 PM 128 1420 1.00 0.00 0.00 0.00 1.00 0 gnome-shell
12:51:11 PM 0 489611 26.00 161.00 0.00 0.00 187.00 0 sysbench12:51:10 PM UID PID cswch/s nvcswch/s Command
12:51:11 PM 0 10 8.00 0.00 rcu_sched
12:51:11 PM 0 18 3.00 0.00 ksoftirqd/1
12:51:11 PM 128 1420 3.00 12.00 gnome-shell
12:51:11 PM 1000 1615 2.00 0.00 systemd
12:51:11 PM 1000 1888 3.00 8.00 gnome-shell
12:51:11 PM 0 60439 1.00 0.00 multipathd
12:51:11 PM 0 487195 7.00 0.00 kworker/0:1-events
12:51:11 PM 0 487397 47.00 0.00 kworker/u4:1-events_unbound
12:51:11 PM 1000 488358 10.00 0.00 sshd
12:51:11 PM 0 488871 4.00 0.00 kworker/1:1-events
12:51:11 PM 0 489585 206.00 0.00 kworker/u4:2-events_unbound
12:51:11 PM 1000 489646 1.00 253.00 pidstat12:51:11 PM UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command
12:51:12 PM 0 489611 19.00 169.00 0.00 0.00 188.00 0 sysbench
12:51:12 PM 1000 489646 0.00 1.00 0.00 1.00 1.00 1 pidstat12:51:11 PM UID PID cswch/s nvcswch/s Command
12:51:12 PM 0 10 4.00 0.00 rcu_sched
12:51:12 PM 0 18 10.00 0.00 ksoftirqd/1
12:51:12 PM 1000 1615 2.00 0.00 systemd
12:51:12 PM 1000 2130 1.00 0.00 evolution-alarm
12:51:12 PM 0 60439 1.00 0.00 multipathd
12:51:12 PM 0 487195 4.00 0.00 kworker/0:1-events
12:51:12 PM 0 487397 165.00 0.00 kworker/u4:1-events_unbound
12:51:12 PM 1000 488358 18.00 0.00 sshd
12:51:12 PM 0 488871 5.00 0.00 kworker/1:1-events
12:51:12 PM 0 489585 113.00 0.00 kworker/u4:2-events_freezable_power_
12:51:12 PM 1000 489646 1.00 289.00 pidstat12:51:12 PM UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command
12:51:13 PM 0 489611 27.00 158.00 0.00 0.00 185.00 0 sysbench12:51:12 PM UID PID cswch/s nvcswch/s Command
12:51:13 PM 0 10 5.00 0.00 rcu_sched
12:51:13 PM 0 11 1.00 0.00 migration/0
12:51:13 PM 0 17 1.00 0.00 migration/1
12:51:13 PM 0 18 1.00 0.00 ksoftirqd/1
12:51:13 PM 1000 1615 2.00 0.00 systemd
12:51:13 PM 0 60439 1.00 0.00 multipathd
12:51:13 PM 0 487195 8.00 0.00 kworker/0:1-events
12:51:13 PM 0 487397 96.00 0.00 kworker/u4:1-flush-253:0
12:51:13 PM 1000 488358 15.00 0.00 sshd
12:51:13 PM 0 488871 5.00 0.00 kworker/1:1-events
12:51:13 PM 0 489585 165.00 0.00 kworker/u4:2-events_unbound
12:51:13 PM 1000 489646 1.00 258.00 pidstat
从图中可以发现，切换较多的自愿上下文切换是进程 kworker/u4:2-events_unbound，而这里只是显示的是进程的上下文切换，而CPU在运行的是时候， Linux 调度的基本单位实际上是线程
pidstat -wt 1 可以查看线程的指标1:06:41 PM UID TGID TID cswch/s nvcswch/s Command
01:06:43 PM 0 1 - 0.92 0.00 systemd
01:06:43 PM 0 - 1 0.92 0.00 |__systemd
01:06:43 PM 0 10 - 19.27 0.00 rcu_sched
01:06:43 PM 0 - 10 19.27 0.00 |__rcu_sched
01:06:43 PM 0 18 - 8.26 0.00 ksoftirqd/1
01:06:43 PM 0 - 18 8.26 0.00 |__ksoftirqd/1
01:06:43 PM 0 382 - 0.92 0.00 kworker/1:1H-kblockd
01:06:43 PM 0 - 382 0.92 0.00 |__kworker/1:1H-kblockd
01:06:43 PM 0 - 937 0.92 0.00 |__gmain
01:06:43 PM 128 - 1300 0.92 0.00 |__gvfs-afc-volume
01:06:43 PM 128 - 1422 0.92 0.00 |__gmain
01:06:43 PM 1000 1615 - 1.83 0.00 systemd
01:06:43 PM 1000 - 1615 1.83 0.00 |__systemd
01:06:43 PM 1000 - 1700 0.92 0.00 |__gvfs-afc-volume
01:06:43 PM 1000 1708 - 3.67 0.00 Xorg
01:06:43 PM 1000 - 1708 3.67 0.00 |__Xorg
01:06:43 PM 1000 1888 - 2.75 0.00 gnome-shell
01:06:43 PM 1000 - 1888 2.75 0.00 |__gnome-shell
01:06:43 PM 1000 - 1900 0.92 0.00 |__gmain
01:06:43 PM 1000 - 2336 0.92 0.00 |__gmain
01:06:43 PM 1000 - 2745 0.92 0.00 |__gmain
01:06:43 PM 0 - 56981 0.92 0.00 |__gmain
01:06:43 PM 0 60439 - 0.92 0.00 multipathd
01:06:43 PM 0 - 60439 0.92 0.00 |__multipathd
01:06:43 PM 0 - 60443 0.92 0.00 |__multipathd
01:06:43 PM 0 487397 - 0.92 0.00 kworker/u4:1-events_freezable_power_
01:06:43 PM 0 - 487397 0.92 0.00 |__kworker/u4:1-events_freezable_power_
01:06:43 PM 1000 489904 - 1.83 0.00 baobab
01:06:43 PM 1000 - 489904 1.83 0.00 |__baobab
01:06:43 PM 0 490271 - 7.34 0.00 kworker/0:2-events
01:06:43 PM 0 - 490271 7.34 0.00 |__kworker/0:2-events
01:06:43 PM 0 490366 - 3.67 0.00 kworker/1:3-events
01:06:43 PM 0 - 490366 3.67 0.00 |__kworker/1:3-events
01:06:43 PM 0 - 490582 37280.73 249111.93 |__sysbench
01:06:43 PM 0 - 490583 30613.76 227590.83 |__sysbench
01:06:43 PM 0 - 490584 42267.89 214733.03 |__sysbench
01:06:43 PM 0 - 490585 36483.49 247768.81 |__sysbench
01:06:43 PM 0 - 490586 35252.29 251989.91 |__sysbench
01:06:43 PM 0 - 490587 35150.46 240639.45 |__sysbench
01:06:43 PM 0 - 490588 33030.28 207896.33 |__sysbench
01:06:43 PM 0 - 490589 34731.19 233100.00 |__sysbench
01:06:43 PM 0 - 490590 39934.86 232202.75 |__sysbench
01:06:43 PM 0 - 490591 36001.83 261024.77 |__sysbench
01:06:43 PM 0 490592 - 0.92 2479.82 pidstat
01:06:43 PM 0 - 490592 0.92 2502.75 |__pidstat
到此，我们就分析出，上下文切换过多的进程是kworker。但是还有一个中断次数过多的问题。
因为中断是发生在内核中的，所以我们需要通过/proc中的信息进行查看。
watch -d cat /proc/interrupts
小结
本篇主要介绍了查看上下文切换的几个常用命令，分别是
vmstat 5 //总体监控
pidstat -w 5 //进程监控
pidstat -w -u 1 //-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 -wt 1 // -wt 参数表示输出线程的上下文切换指标
watch -d cat /proc/interrupts //内核中断指标
而自愿上下文切换边多，说明进程在等待资源，可能发生了IO问题
非自愿上下文切换过多，说明进程在被强制调度，争抢CP
中断次数过多，说明CPU被中断程序占用
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在对接支付宝API的时候，遇到了一些问题，记录一下排查过程。 Body:{"datadigital_fincloud_generalsaas_face_certify_initialize_response":{"msg":"Business Failed","code":"40004","sub_msg…...
iPhone密码忘记了办？iPhoneUnlocker，iPhone解锁工具Aiseesoft iPhone Unlocker 高级注册版分享
平时用 iPhone 的时候，难免会碰到解锁的麻烦事。比如密码忘了、人脸识别 / 指纹识别突然不灵，或者买了二手 iPhone 却被原来的 iCloud 账号锁住，这时候就需要靠谱的解锁工具来帮忙了。Aiseesoft iPhone Unlocker 就是专门解决这些问题的软件&…...
Psychopy音频的使用
Psychopy音频的使用 本文主要解决以下问题： 指定音频引擎与设备；播放音频文件 本文所使用的环境： Python3.10 numpy2.2.6 psychopy2025.1.1 psychtoolbox3.0.19.14 一、音频配置 Psychopy文档链接为Sound - for audio playback — Psy…...
dify打造数据可视化图表
一、概述 在日常工作和学习中，我们经常需要和数据打交道。无论是分析报告、项目展示，还是简单的数据洞察，一个清晰直观的图表，往往能胜过千言万语。 一款能让数据可视化变得超级简单的 MCP Server，由蚂蚁集团 AntV 团队…...
云原生玩法三问：构建自定义开发环境
云原生玩法三问：构建自定义开发环境 引言 临时运维一个古董项目，无文档，无环境，无交接人，俗称三无。 运行设备的环境老，本地环境版本高，ssh不过去。正好最近对 腾讯出品的云原生 cnb 感兴趣&…...
纯 Java 项目（非 SpringBoot）集成 Mybatis-Plus 和 Mybatis-Plus-Join
纯 Java 项目（非 SpringBoot）集成 Mybatis-Plus 和 Mybatis-Plus-Join 1、依赖1.1、依赖版本1.2、pom.xml 2、代码2.1、SqlSession 构造器2.2、MybatisPlus代码生成器2.3、获取 config.yml 配置2.3.1、config.yml2.3.2、项目配置类 2.4、ftl 模板2.4.1、…...
Golang——6、指针和结构体
指针和结构体 1、指针1.1、指针地址和指针类型1.2、指针取值1.3、new和make 2、结构体2.1、type关键字的使用2.2、结构体的定义和初始化2.3、结构体方法和接收者2.4、给任意类型添加方法2.5、结构体的匿名字段2.6、嵌套结构体2.7、嵌套匿名结构体2.8、结构体的继承 3、结构体与…...
逻辑回归暴力训练预测金融欺诈
简述 「使用逻辑回归暴力预测金融欺诈，并不断增加特征维度持续测试」的做法，体现了一种逐步建模与迭代验证的实验思路，在金融欺诈检测中非常有价值，本文作为一篇回顾性记录了早年间公司给某行做反欺诈预测用到的技术和思路。百度…...
解决：Android studio 编译后报错\app\src\main\cpp\CMakeLists.txt‘ to exist
现象： android studio报错： [CXX1409] D:\GitLab\xxxxx\app.cxx\Debug\3f3w4y1i\arm64-v8a\android_gradle_build.json : expected buildFiles file ‘D:\GitLab\xxxxx\app\src\main\cpp\CMakeLists.txt’ to exist 解决： 不要动CMakeLists.…...
Java并发编程实战 Day 11：并发设计模式
【Java并发编程实战 Day 11】并发设计模式 开篇 这是"Java并发编程实战"系列的第11天，今天我们聚焦于并发设计模式。并发设计模式是解决多线程环境下常见问题的经典解决方案，它们不仅提供了优雅的设计思路，还能显著提升系统的性能…...