系统优化-CPU-理解CPU的上下文切换

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什么是CPU的上下文切换，程序又是如何运行的？

程序在运行的时候，CPU会将一部分数据加载到CPU的寄存器，它是属于CPU专属的高速缓存，并且将程序运行的地址加载到程序计数器中，而CPU寄存器+程序计数器统称为CPU的上下文？
我们的系统一般可以并行运行多个程序，儿多个进程并不是真正的并行运行的，CPU会同时在多个程序中进行切换，造成这种并行运行的“错觉”，而切换之前就要现将CPU的上下文保存起来从而下次执行是偶继续执行，这个叫做CPU的上下文切换。

CPU上下文切换的几个场景

  1. 进程之间的上下文切换
  2. 线程之间的上下文切换

  3. 响应系统中断的上下文切换

    注： 还有一种场景就是系统调用的CPU上下文切换，我们的程序是运行在用户态的，而系统的资源是系统的内核态。一次操作往往需要多次系统调用，会发生多次CPU上下文切换比如：读取一个文件是以下3步。先open()打开一个文件，再read()读取磁盘数据，再write()写到标准数据流中。每一次系统调用会先保存用户态的数据，然后加载内核态数据，然后切换到内核态，操作完成后，在加载用户态数据，切换回用户态继续之前的操作。（俩次切换过程）不过我们一般称呼他们是特权切换，他们是不会发生进程切换的。

    如图：
    avator

    进程间切换：需要刷新系统的虚拟内存、栈等用户态信息，再保存CPU上下文。
    进程切换的主要原因有：分配的运行时间片已到；系统资源不够【比如内存不够】等待资源时候会被挂起；调用Sleep函数；有更高优先级的进程进来等

    线程间切换：线程是CPU调度的最小单位，进程是CPU的最小的资源单位，所谓的CPU上下文切换实际是线程的CPU上下文切换分一下俩种情况：

    1. 如果俩个线程属于同一个进程：不需要切换用户态信息，再切换CPU上下文
    2. 如果俩个线程不属于同一个进程：需要切换用户态信息，再切换CPU上下文。
      所以，现在程序大都用多线程取代多进程。

    响应系统中断：为了响应硬件事件，往往回中断当前正在运行的进程。响应中断往往比进程优先级高。

如何定位CPU切换的场景

工具介绍

vmstat使我们常用的分析io的工具他也能分析cpu的上下文切换，使用方法如下：其中

  • r 是runable或者runnaing的进程数
  • b 是block的进程数
  • system的in是中断数
  • cs是切换数
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vmstat

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 78018360 299560 30894864    0    0     0     7    0    0  1  0 99  0  0

pidstat，和上期不一样的是如果我们想看cpu上下文切换数需要加上-w，-t是查看线程

  • cswch/s是每秒自愿切换上下文的次数，比如：无法获取资源被挂起。
  • nvcswch/s是每秒非自愿切换上下文的次数，运行时间片到了被挂起。
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pidstat -w -t  -p <pid>

08:30:23 PM   UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command
08:30:28 PM   669     27440      0.00      0.00  java

查看中断原因watch -d cat /proc/interrupts

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$ watch -d cat /proc/interrupts
           CPU0       CPU1
...
RES:    2450431    5279697   Rescheduling interrupts
...

res是指cpu调度中断，中断原因是cpu在频繁的切换线程

分析问题路径

  1. 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；
  2. 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；
  3. 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。

具体排查路径如下：

  1. 我们先运行vmstat，一般cs在1w左右都是正常的如果超过1w，我们就要去调用pidstat查看；
  2. pidstat -w -u查看cpu的占用和cswch,如果是Java或者golang等多线程的程序要加-t看线程之间的cswch/s值
  3. 之后通过watch -d cat /proc/interrupts查看cpu的中断原因【watch -d ‘cat /proc/interrupts | sort -nr -k 2 ‘】