大家好 ，怒啃我是终于树哥。
对于服务器系统来说 ，搞懂上下文切换也是上下影响系统性能的一个重要因素 。深入理解上下文切换的文切原理 ，有利于我们做好性能优化工作 。怒啃今天我将带大家了解下上下文切换的终于几种情形 ，以及其背后发生切换的搞懂具体信息，接着介绍一些监测上下文切换指标的上下工具，最后总结一些上下文切换异常可能得场景。香港云服务器文切
深入理解系统上下文切换
什么是怒啃上下文切换 ？我们知道 Linux 是一个多任务操作系统 ，它能支持远大于 CPU 数量的终于任务同时运行。但实际上同一时刻只会有 CPU 数量的搞懂进程在运行 ，等 CPU 时间片到了之后 ，上下进程调度器就会把 CPU 资源分配给其他进程。文切
在这个过程中就会涉及到进程之间的切换 ，这时候就需要将当前进程的上下文信息保存下来 ，随后加载被调度进程的上下文信息 ，这就是服务器租用上下文切换 。
这里所说的上下文信息，既包括虚拟内存 、栈 、全局变量等用户态的资源 ，也包括内核堆栈 、寄存器等内核态的资源 。不同类型的上下文切换 ，会涉及到不同类型资源的切换 ，例如 ：同一进程不同线程的切换，模板下载只需要切换内核态的资源 ，而不需要切换用户态的资源 。
上下文切换类型上下文还分为了三种类型 ，分别是 ：
进程上下文切换线程上下文切换中断上下文切换进程上下文切换
进程上下文切换指的是不同进程之间发生切换 。一般来说，进程被调度有如下几个时机 ：
某个进程时间片耗尽 ，会被系统挂起 ，切换到其他等待 CPU 的进程。进程所需系统资源不足 ，需要等到资源满足时才可运行 ，源码库此时会被挂起，其他进程会被调度 。进程通过 sleep 方法主动挂起 ，其他进程就有机会被调度 。有更高优先级的进程 ，当前进程会被挂起 ，高优先级进程会被调度 。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 。当发生如上几种情况的时候 ，就会发生进程调度，云计算进而发生进程上下文切换 。
线程上下文切换
我们都知道进程是资源分配的基本单位 ，线程是调度的基本单位 ，进程只是给线程提供了虚拟内存等资源 。而线程上下文切换 ，就可以分为两种情况 ：
进程调度前后的两个线程 ，属于同一进程 。此时因为资源共享 ，所以在切换的时候虚拟内存等这些资源就不需要变化 ，建站模板只需要切换线程的私有数据 、寄存器等不共享的数据 。进程调度前后的两个线程 ，不属于同一进程 。这时候因为资源部共享 ，所以切换过程和进程上下文切换是一样的 。所以你会发现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 ，这其实就是多线程比起多进程的一个优势 。
中断上下文切换
中断上下文切换指的是为了响应硬件的事件 ，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。而在打断其他进程时 ，就需要将当前的状态保存下来 。这样在中断结束后 ，进程仍然可以从原来的状态恢复运行。
中断上下文切换，并不需要保存和恢复进程的虚拟内存等用户态资源 ，只需要处理 CPU 寄存器 、内核堆栈等内核态的资源即可 。
分析工具查看系统的上下文切换情况 ，有三个工具可以使用 ，分别是 ：vmstat 命令 、pidstat 命令 、/proc/interrupts 文件 。
vmstat 命令
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 。该命令的语法格式为 ：
复制vmstat <选项> <时间间隔> <报告次数>1.其中常用的选项有 ：
-a：显示活动内页；-f：显示启动后创建的进程总数；-m ：显示 slab 信息；-n：头信息仅显示一次；-s：以表格方式显示事件计数器和内存状态；-d：报告磁盘状态；-p ：显示指定的硬盘分区状态；-S ：输出信息的单位。
我们执行 vmstat 5 命令后 ，会每隔 5 秒输出一次结果 ，如下所示 。
复制procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu----- r b swpd free buff cache si so bi bo incs us sy id wa st
0 0 0 6893400 2352 563768 0 0 2 425 153 32 1 3 96 0 01.2.3.其中与上下文相关的 4 列内容如下 ：
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。可以看到上面输出中上下文切换次数 cs 是 32 次 ，而系统中断次数 in 是 153 次，而就绪队列长度 r 和不可中断状态进程数 b 都是 0 。
pidstat 命令
vmstat 只给出了系统总体的上下文切换情况 ，要想查看每个进程的详细情况 ，就需要使用我们前面提到过的 pidstat 了 。给它加上 -w 选项 ，你就可以查看每个进程上下文切换的情况了 。 例如执行如下命令 ，我们可以得到每个进程的上下文切换情况了 。
复制// 每隔 5秒输出一次结果
// -w 表示显示每个进程的上下文切换情况
[root@iZwz92ezhi90syoqbgjgn1Z ~]# pidstat -w 5Linux 4.18.0-348.7.1.el8_5.x86_64 (iZwz92ezhi90syoqbgjgn1Z) 23/08/22 _x86_64_ (4 CPU)15:04:39 UID PID cswch/s nvcswch/s Command
15:04:44 0 1 0.20 0.00systemd
15:04:44 0 11 27.94 0.00rcu_sched
15:04:44 0 497 19.56 0.00 xfsaild/vda3
15:04:44 0 603 0.20 0.00 systemd-journal
15:04:44 0 829 0.40 0.00sssd_be
15:04:44 0 831 1.60 0.00sssd_nss
15:04:44 0 3931 0.40 0.00 kworker/2:0-mm_percpu_wq
15:04:44 0 3998 0.40 0.00 kworker/1:0-mm_percpu_wq
15:04:44 0 4005 0.20 0.00 kworker/u8:0-flush-253:015:04:44 0 4021 0.80 0.00 kworker/3:2-mm_percpu_wq
15:04:44 0 4037 5.99 0.00 kworker/0:0-events1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.上述结果中的 cswch 与 nvcswch 是重点关注的对象 。cswch 表示每秒自愿上下文切换（voluntary context switches）的次数 ，nvcswch 表示每秒非自愿上下文切换（non voluntary context switches）的次数 。
所谓自愿上下文切换 ，是指进程无法获取所需资源，导致的上下文切换。比如说 ， I/O 、内存等系统资源不足时 ，就会发生自愿上下文切换 。
而非自愿上下文切换，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 。比如说，大量进程都在争抢 CPU 时 ，就容易发生非自愿上下文切换 。
/proc/interrupts 文件
我们可以通过 vmstat 获取中断的次数 ，但是我们却无法获取中断类型。实际上我们可以通过 /proc/interrupts 文件获取中断的详细信息 。/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 。/proc/interrupts 就是这种通信机制的一部分 ，提供了一个只读的中断使用情况 。
我们可以通过如下命令 ，动态观察中断的变化情况 ：
复制# -d 参数表示高亮显示变化的区域
$ watch -d cat /proc/interrupts
CPU0 CPU1
...
RES: 4385721 4430589 3732298 4259089Rescheduling interrupts
...1.2.3.4.5.6.通过这种方式 ，我们就可以知道具体是哪种中断类型出现异常，从而定位到具体的资源 。
如何排查异常 ？今天我们深入了解了一下上下文切换这个指标 ，但每秒上下文切换多少次才算正常呢 ？
这个数值取决于系统本身的 CPU 性能 。如果系统的上下文切换次数比较稳定 ，那么从数百到一万以内 ，都应该算是正常的。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。
具体遇到问题的时候，需要根据变化的上下文切换类型 ，再做具体的分析 。例如 ：
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 。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 。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 。总结首先 ，我们先介绍了上下文切换的概念 ，以及上下文切换可能会包含用户态资源和内核态资源。
接着，我们介绍了三种上下文切换类型 ，即 ：进程上下文切换 、线程上下文切换、中断上下文切换 ，并分析其切换包括的资源类型 。
接着 ，我们介绍了 vmstat 命令 、pidstat 命令 、/proc/interrupts 三种分析工具 。其中 vmstat 命令用户查看系统整体上下文切换情况 ，pidstat 命令用户查看进程的上下文切换情况 ，/proc/interrupts 文件用户查看中断类型及详细情况。
最后 ，解释了合理的上下文切换次数应该是数百到一万每秒以内 。但具体的问题排查 ，还需要根据上下文切换类型去分析 。
参考资料
03 | 基础篇 ：经常说的 CPU 上下文切换是什么意思 ？（上）
04 | 基础篇 ：经常说的 CPU 上下文切换是什么意思 ？（下）
vmstat 命令 ，Linux vmstat 命令详解：显示虚拟内存状态 - Linux 命令搜索引擎
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