性能测试必备知识（6）- 如何查看“CPU 上下文切换”

做性能测试的必备知识系列，可以看下面链接的文章哦

https://www.cnblogs.com/poloyy/category/1806772.html

课前准备，安装 sysbench

下载 sysbench

git clone https://github.com/akopytov/sysbench.git

安装依赖

yum install autoconf automake libtool -y

编译安装

cd sysbench/
./autogen.sh
./configure --without-mysql
make && make install

百度云链接

链接：https://pan.baidu.com/s/1a9qR9GNzEbj1rkDp2wXfIw

提取码：kone

下载压缩包放到服务器，然后解压即可

如何查看系统的上下文切换情况

vmstat

使用 vmstat 这个工具，来查询系统的上下文切换情况
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

了解 vmstat 输出的参数含义

每隔 2s 输出一次结果

vmstat 2

这里我们只了解必备参数，后面有单独一篇文章展开来讲解 vmstat 命令

参数分析

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，也就是正在运行和等待 CPU 的进程数
b（Blocked）：处于不可中断睡眠状态的进程数

vmstat 只给出了系统总体的上下文切换情况，如何查看每个进程详细情况？答案是通过 pidstat

通过 pidstat 查看进程上下文切换的情况

加上 -w 选项，每 3s 输出一次结果，共输出 3 次

pidstat -w 3 3

结果分析

cswch：每秒自愿上下文切换
nvcswch：每秒非自愿上下文切换的次数

自愿上下文切换

进程无法获取所需自愿，导致的上下文切换
栗子：I/O、内存等系统资源不足时，就会发生

非自愿上下文切换

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
栗子：大量进程都在争抢 CPU 时，就容易发生非自愿上下文切换

通过栗子去看上下文切换

前期准备

安装 sysbench：上面有提到了
安装 sysstat：参考这篇文章，https://www.cnblogs.com/poloyy/p/13325507.html
需要有一个虚拟机，我自己的虚拟机是 4核的哈
等下会通过远程连接工具来远程虚拟机，然后需要三个终端均访问我的虚拟机

sysbench 介绍

一个多线程的基准测试工具（前面讲的 stress 是多进程）
一般用来评估不同系统参数下的数据库负载情况
在接下来的案例中，主要是当成一个异常进程来看，作用是模拟上下文切换过多的问题

空闲系统的上下文切换次数

输入以下命令，每 1 秒输出一次结果，输出 5 次

vmstat 1 5

结果分析

现在的上下文切换次数 cs 是 200-300左右，而中断次数 in 是 200 左右，r 和 b 都是 0。
因为这会儿并没有运行其他任务，所以它们就是空闲系统的上下文切换次数

第一个终端运行 sysbench

输入以下命令，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 --time=300 threads run

第二个终端通过 vmstat 查看上下文切换

vmstat 1

结果分析

cs 列：上下文切换次数从之前 200 骤然上升到了 160w+...
r 列：就绪队列的长度最大到 8了，大于我们的 CPU 个数 4，所以会存在大量的 CPU 竞争
us、sy 列：两列的 CPU 使用率加起来上升到了 80-90，其中系统 CPU 使用率都是 60%+，说明 CPU 主要是被内核占用了
in 列：中断次数已经达到 8w 了...说明中断处理也是个潜在的问题

总结下

系统的就绪队列过长，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，而上下文切换又导致了 CPU 使用率升高
一环扣一环的，先有因后有果，别搞乱了顺序

提出疑问

到底是什么进程导致了这些问题呢？

第三个终端通过 pidstat 来看进程的上下文切换次数

输入以下命令，-w 输出进程切换指标，-u 输出 CPU 使用情况

pidstat -w -u 1

结果分析

sysbench 进程 CPU 使用率很高，已经差不多占用了 4 个 CPU 了
但上下文切换次数多主要是其他进程，包括内核线程 kworker
貌似所有进程加起来的上下文切换次数也就几百，远不如 vmstat 看到的上百万，咋肥事！

分析下为什么上下文切换次数会这么少

首先，Linux 调度的基本单位是线程
sysbench 是模拟线程的调度问题

查看 pidstat 命令的作用

man pidstat

有那么一句英文，可以看到，pidstat 默认显示进程级别的指标数据

然后往下翻，可以看到 -t 参数
它可以显示与选定任务关联的线程的统计信息

第三个终端重新执行 pidstat 命令

pidstat -wt 1 10

结果分析

sysbench 的多个线程的上下文切换次数有非常多，终于找到罪魁祸首了

分析为什么中断次数也颇高

前面也说到 in 值达到了 8w，那是什么导致中断次数如此之高呢，接下来瞧一瞧

首先

中断处理，它只发生在内核态，而 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

如何查看中断发生的类型

从 /proc/interrupts 这个只读文件中读取

/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

继续在第三个终端执行命令

watch -d cat /proc/interrupts

结果分析

观察一段时间，可以发现变化速度最快的是重调度中断（RES），表示唤醒空闲状态的 CPU 来调度新的任务运行
这是多处理器系统（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）

总结

中断次数升高还是因为多任务的调度问题，和前面线程上下文切换次数的分析结果是一致的

每秒上下文切换多少次才算正常？

这个数值其实取决于系统本身的 CPU 性能
如果系统的上下文切换次数比较稳定，那么数百到一万以内，都是正常的
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

深入分析

根据上下文切换的类型，具体分析

自愿上下文切换多了，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，还需要通过文件来分析具体的中断类型

/pro/interrupts

全文总结-如何查看分析上下文切换

通过 vmstat 确认系统的当前的上下文切换（cs）、中断次数（in）、就绪队列（r）、CPU 使用率（us、sy）
若上下文切换次数和 CPU 使用率过高，通过 pidstat 查看是哪个进程或线程的切换次数过高，CPU 使用率过高
然后确认是自愿上下文切换还是非自愿上下文切换，从而深入分析是否存在其他系统瓶颈问题
若中断次数过高，通过分析是哪种中断类型

/proc/interrupts