舞動的操作系統：深入了解Linux系統上下文切換
最近排查性能碰到由于上下文切換頻繁導致性能下降的問題，這里做一個對上下文排查的學習記錄。
在計算機科學領域，系統上下文切換是一項至關重要的操作，尤其在多任務操作系統中。Linux系統以其高度的穩定性和可伸縮性而著名，而系統上下文切換是其核心特性之一。在本文中，我們將深入探討系統上下文切換的概念，以及如何使用vmstat工具來監視系統上下文切換的情況。
什么是系統上下文切換
系統上下文切換是指操作系統在不同進程或線程之間切換執行的過程。在多任務操作系統中，這是一項至關重要的任務，因為它允許多個程序共享處理器時間，以便它們似乎同時運行。系統上下文切換涉及保存當前進程的狀態，切換到另一個進程，并將其狀態還原，以便它可以繼續執行。這是操作系統內核的關鍵職責之一，以確保公平的資源分配和系統的高效性。
vmstat
在Linux系統中，vmstat是一個非常有用的工具，用于監視系統性能，并且可以提供關于上下文切換的有用信息。您可以使用以下命令來運行vmstat并顯示上下文切換統計信息：
vmstat 1
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
r b 交換 空閑 緩沖 緩存 si so bi bo in cs us sy id wa st
1 0 0 1956380 62880 877460 0 0 3692 312 572 1251 28 50 21 1 0
0 0 0 1956380 62880 877568 0 0 68 0 160 248 2 0 97 0 0
0 0 0 1956380 62880 877568 0 0 0 0 168 265 2 1 97 0 0
1 0 0 1956380 62880 877564 0 0 0 0 271 523 4 2 94 0 0
1 0 0 1956380 62880 877552 0 0 0 4 225 356 3 1 96 0 0這將以每秒一次的頻率輸出系統性能信息，其中包括上下文切換的統計數據。在輸出中，您將看到如下信息：
- cs（上下文切換）：這是系統上下文切換的總數，包括進程切換和中斷切換。
- in（中斷數）：這是自系統啟動以來的中斷總數。
- r（運行隊列長度）：這是正在運行的進程數。
- b（阻塞隊列長度）：這是等待資源的進程數。
舉個栗子
我們在ubuntu下運行stress-ng -i 100模擬io加壓，在模擬之前使用vmstat 1監控上下文切換。
我們可以看到cs從500左右漲到20000多以上，實際應用中碰到性能問題需要查上下文時就要使用vmstat來觀察，如果確認了上下文切換比較頻繁，那么如何確認是哪個應用導致的呢？這時候就需要pidstat了。這里我在另一個終端已經運行起來了。
運行pidstat -w 3 //每隔3秒輸出一次關于進程上下文切換的統計信息
12時04分17秒 UID PID cswch/s nvcswch/s Command
12時04分20秒 0 14 1.33 0.00 ksoftirqd/0
12時04分20秒 0 15 29.33 0.00 rcu_preempt
12時04分20秒 0 16 0.33 0.00 migration/0
12時04分20秒 0 22 0.33 0.00 migration/1
12時04分20秒 0 23 3.00 0.00 ksoftirqd/1
12時04分20秒 0 35 2.00 0.00 kcompactd0
12時04分20秒 0 48 2.33 0.00 kworker/1:1H-kblockd
12時04分20秒 0 247 707.33 0.00 kworker/u256:29-flush-8:0
12時04分20秒 0 254 0.33 0.00 kworker/0:2H-kblockd
12時04分20秒 0 278 5.00 1.33 jbd2/sda3-8
12時04分20秒 0 380 3.33 0.00 irq/16-vmwgfx
12時04分20秒 127 613 4.00 0.00 systemd-oomd
12時04分20秒 0 642 12.67 0.67 vmtoolsd
12時04分20秒 130 921 0.33 0.00 vnstatd
12時04分20秒 0 1383 1.00 0.00 vmtoolsd
12時04分20秒 998 1576 1.00 0.00 pmproxy
12時04分20秒 0 4294 9.33 9.33 gnome-shell
12時04分20秒 0 4431 2.00 0.00 ibus-daemon
12時04分20秒 0 4506 10.33 0.33 vmtoolsd
12時04分20秒 0 4550 1.00 0.00 ibus-extension-
12時04分20秒 0 4615 1.00 0.00 ibus-engine-lib
12時04分20秒 0 4835 8.33 13.33 gnome-terminal-
12時04分20秒 0 5411 6.67 0.00 kworker/0:2-events
12時04分20秒 0 5796 42.33 0.00 kworker/u256:1-writeback
12時04分20秒 0 7105 8.00 0.00 kworker/1:3-events
12時04分20秒 0 7224 1.00 1.00 vmstat
12時04分20秒 0 7475 6.33 6.33 stress-ng
12時04分20秒 0 7476 6.33 7.00 stress-ng
12時04分20秒 0 7477 5.00 6.00 stress-ng
12時04分20秒 0 7478 5.33 5.00 stress-ng
12時04分20秒 0 7479 5.33 8.00 stress-ng
12時04分20秒 0 7480 5.67 5.67 stress-ng
12時04分20秒 0 7481 5.33 5.67 stress-ng
12時04分20秒 0 7482 4.33 4.67 stress-ng
12時04分20秒 0 7483 5.33 5.33 stress-ng
12時04分20秒 0 7484 5.33 4.67 stress-ng
12時04分20秒 0 7485 4.67 6.00 stress-ng
12時04分20秒 0 7486 4.67 7.00 stress-ng
12時04分20秒 0 7487 4.33 5.00 stress-ng
12時04分20秒 0 7488 4.67 5.33 stress-ng
12時04分20秒 0 7489 5.00 5.00 stress-ng
12時04分20秒 0 7490 4.00 6.33 stress-ng
12時04分20秒 0 7491 5.00 7.00 stress-ng
12時04分20秒 0 7492 5.67 7.00 stress-ng
12時04分20秒 0 7493 5.67 5.00 stress-ng
12時04分20秒 0 7494 5.67 6.33 stress-ng
12時04分20秒 0 7495 5.67 3.67 stress-ng
12時04分20秒 0 7496 5.00 6.00 stress-ng
12時04分20秒 0 7497 5.00 8.33 stress-ng
........后面還有很多stress-ng的進程從結果中可以看到有很多stress-ng帶來的上下文切換，這里面還有個占大頭兒的kworker/u256:29-flush-8:0，占了707，他是做什么的呢？
kworker/u256:29-flush-8:0 是Linux內核中的一個內核線程，它用于執行與I/O刷新相關的任務。這個線程通常是由kworker進程池中的一個線程執行的，負責刷新磁盤緩存中的數據到存儲設備，以確保數據的一致性和持久性。
具體來說，kworker/u256:29-flush-8:0 中的部分信息可以解釋如下：
- kworker：這是內核工作線程的通用前綴。
- /u256：這是一個標識符，通常是一個數字，用于唯一標識內核工作線程。
- 29：這可能是該特定線程的標識號，用于標識線程在內核線程池中的位置。
- flush-8:0：這部分通常描述了該線程正在執行的任務，這里是"flush"，可能表示磁盤數據刷新操作。8:0 可能涉及到與設備名稱或塊設備的相關信息。
這種類型的內核線程通常用于后臺任務，以確保數據在內存和磁盤之間的同步。它在I/O操作中扮演了重要角色，幫助維護數據的一致性，并減少數據丟失的風險。所以可以確定是stress-ng模擬io加壓帶來的上下文切換。
非自愿與自愿切換
上面pidstat可以看到cswch/s nvcswch/s，這兩個就是自愿上下文切換和非自愿上下文切換。
非自愿上下文切換（Non-Voluntary Context Switches）和自愿上下文切換（Voluntary Context Switches）是多任務操作系統中的兩種不同類型的上下文切換，它們分別表示進程或線程切換執行的原因和方式。
(1) 自愿上下文切換（Voluntary Context Switches）：
自愿上下文切換是由進程或線程自身發起的上下文切換，而不是被操作系統強制執行。這通常發生在以下情況下：
- 進程主動讓出CPU，以便其他就緒狀態的進程有機會執行。這可以是出于合作性多任務處理的目的，進程知道它已經執行了足夠的時間，并主動讓出CPU。
- 進程在執行期間需要等待某些事件的發生，如等待I/O操作完成。在這種情況下，進程可能會主動掛起自己，以便其他任務可以繼續執行。
自愿上下文切換通常是進程協作和多任務處理的一部分，它有助于提高系統的效率和公平性。
(2) 非自愿上下文切換（Non-Voluntary Context Switches）：
非自愿上下文切換是由操作系統強制執行的上下文切換，進程或線程被掛起并切換到就緒狀態的其他進程或線程。它通常發生在以下情況下：
- 進程的時間片（CPU分配的時間段）已經用盡，操作系統需要將CPU分配給其他進程。
- 進程需要等待某些資源的可用性，如等待磁盤I/O、等待網絡數據等。在這種情況下，進程被掛起，直到資源可用。
非自愿上下文切換是操作系統的一種管理方式，以確保多任務系統中的進程或線程都有機會獲得CPU時間，防止某個任務長時間獨占CPU。
總結起來，自愿上下文切換是由進程自身控制和觸發的上下文切換，而非自愿上下文切換是由操作系統強制執行的，通常是為了分配資源和提高系統的效率。了解這兩種上下文切換類型有助于理解多任務操作系統如何管理和調度進程，以確保資源的合理分配和性能的優化。
總結
系統上下文切換是多任務操作系統的核心功能之一，它確保了資源的公平分配和高效的多任務處理。通過使用vmstat工具，可以監視系統上下文切換的性能統計信息，以便更好地了解系統性能瓶頸問題。
