概览图

中断

中断是什么意思

最初的中断指的是硬中断，也就是硬件中断，是由硬件触发的中断。
硬件向cpu的引脚发送信号，被称为是硬中断。
后来又有了使用软件来模拟硬中断的 软件中断。

中断的作用是什么

使进程从用户态 转换为 内核态。 内核态，是cpu运行操作系统内核的代码（内部包括进程调度之类的逻辑）。 用户态 是cpu运行用户进程的代码。

比较片面地来思考中断产生的原因：
其实可以思考这样的一个问题，就是 在只有一个cpu的情况下， cpu在执行一个进程，如果想要让cpu执行另外的进程，除了当前进程执行完成之外，还需要另外的手段来打断cpu的执行，使cpu执行判断程序，判断是否应该进行进程调度。

其实导致中断产生的原因还有很多，操作系统演化为多进程，由于各个硬件的访问速度差异很大，例如进程在等待io的时候，会消耗很多的时间，这个时候，可以让进程让出cpu的所有权，让cpu执行另一个进程，从而充分利用cpu的资源。

中断处理程序

cpu 收到中断后，根据中断的类型而 触发执行 对应的 中断处理程序。
每个中断都有对应的中断处理程序。
中断对应的中断处理程序分为上下两个部分，中断处理程序的下半部分就被称为是 软中断。

模糊概念区分： 软中断 硬中断 软件中断

硬中断：硬件触发的中断
软件中断：用软件模拟模拟硬件触发的中断
软中断：硬中断触发后，cpu所执行的中断处理程序的下半部分

触发中断后，谁（who） 会发生什么（what）

自己的理解，触发中断（硬中断或者软件中断）后，cpu进行上下文切换，执行中断处理程序。

中断处理程序执行完成之后，会如何？

中断处理程序执行完成后，cpu会再一次进行上下文切换，重新执行原来的进程。

中断（软件中断 硬中断）会带来的影响

中断会导致cpu上下文切换，cpu执行中断处理程序，会消耗cpu的资源。

硬中断

硬中断是什么

硬件触发的中断被被称为是硬中断，还可以这样认为，硬中断触发后 中断处理的上半部分。

硬中断的类型有哪些

• timer：时钟中断
• RES：重调度中断，用于唤醒空闲状态的 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，也被称为处理器间中断（Inter-Processor Interrupts，IPI） ......

硬中断与软中断的关系

这个问题，其实是想问，硬中断和软中断所发生的cpu位置是否是一样的。

触发硬中断 一定会触发软中断。在多核cpu的架构下，在某个cpu上触发的硬中断，必然会在这个cpu上执行软中断处理程序（也就是触发软中断）

硬中断与cpu (中断亲和性)

什么叫做 硬中断的cpu亲和性？

在多核cpu的架构下，硬中断在哪个cpu上触发（这个过程，就涉及到cpu亲和性）。

例如：
配置硬中断的cpu亲和性，使某个硬中断只会在某个cpu上触发，而不会在其他的cpu上触发。

Linux下 如何查看硬中断的 cpu亲和性？

执行：
cat /proc/irq/中断号/smp_affinity_list

smp_affinity_list 文件之中存储着 硬中断在哪些cpu上触发。

Linux下 为什么要调整 cpu的硬中断亲和性？

为了充分利用cpu。在多核cpu的架构下，如果某些中断只是会发生在某个cpu上，那么会导致cpu的资源利用不均衡

Linux下 如何调整cpu的硬中断亲和性？

修改 /proc/irq/中断号/smp_affinity_list 文件之中的值，来调整cpu的硬中断亲和性。

硬中断的触发会带来的影响？（会消耗计算机的哪些资源）

硬中断的触发会占据cpu资源。所以越多的硬中断的触发，就是消耗越多的cpu资源。对于程序员而言，希望cpu的资源更多地被用来执行我们的程序。 同时，硬中断资源占据的cpu资源多了，那么剩下的可供软件运行的cpu资源就少了。

硬中断的监控

对于硬中断的监控的目的是什么？

主要是为了查看 是否某个中断只是在单一的cpu上面发生（这样会导致cpu的资源利用不均匀，单个cpu出现瓶颈的问题），并且发生的次数非常多。

Linux下 如何查看硬中断在cpu上的分布？

执行一下命令：
cat /proc/interrupts

软中断

软中断是什么

软中断 是 中断处理程序的下半部分。

软中断所带来的影响是什么？

软中断会会消耗cpu资源。

软中断的监控

查看软中断在各个cpu上的分布

cat /proc/softirqs 输出信息

CPU0       CPU1       CPU2       CPU3       
HI:          0          0          0          0
TIMER:     134061      26840     146766      31577
NET_TX:          2          0          0          1
NET_RX:       6020       1303       7543       1223  
BLOCK:          0          0          0          0
IRQ_POLL:          0          0          0          0
TASKLET:         11          0         13          0
SCHED:     133601      27344     146478      31594
HRTIMER:          0          0          0          0
RCU:     101900      26048     106512      28531

备注：
NET_RX 网络收包中断
NET_TX 网络发包中断

观察 软中断 在 各个cpu上的分布情况的意义是什么？

目的是为了观察，软中断是否在cpu上分布不均，如果分布不均，那么就是出现了问题，是问题就需要进行处理。

在多核cpu下 是否可以控制软中断在哪个cpu上触发？如果可以，如何进行控制？

是可以的。 硬中断在哪个cpu上触发，软中断就会在哪个cpu上触发。所以只要控制硬中断的cpu亲和性，就可以控制 软中断在哪个cpu上发生。

在了解了中断的相关知识后，程序员可以将这些知识用在哪些地方，或者可以这样问，程序员为什么要了解中断？

因为中断会消耗cpu资源，会影响性能，所以程序员要了解中断。
如果中断分布不均，会导致系统资源很充裕的情况下，程序的执行出现资源缺乏导致性能问题。
所以程序员需要知道 查看 中断分布的方法。
这是自己目前的一些理解。

特殊的中断

时钟中断 与 进程调度

自己的目前的认知：
时钟中断触发 cpu执行对应的中断处理程序，而这一段中断处理程序之中包含是否进行进程调度的判断（例如当前进程的时间片是否耗尽检查）

时钟中断 与 时间片

时钟中断 与 节拍 相关。节拍就是 多久触发一次时钟中断。
时间片的长度 是 整数倍的 节拍。

Linux下 哪个硬中断是时钟中断

ubuntu
timer 是时钟中断

网络硬中断

Linux下 如何查看 哪个是网络硬中断

有的网卡会开启多队列，每个队列会对应一个硬中断号，硬中断号获取方式。 cat /proc/interrupts | egrep 'CPU|virtio.*(input|output)'
带有input的是 网卡收包的中断
带有output的是 网卡发包的中断

Linux下 网络硬中断对应的软中断号是哪个

cat /proc/softirqs
NET_RX 网络收包软中断
NET_TX 网络发包软中断

为什么会写 网络硬中断

因为程序员所编写的软件 几乎都是需要和网络进行交互的，所以网络硬中断会被大量触发，如果在cpu上分布不均匀，很容易会导致计算机的资源充足，但是程序出现性能问题。

软件中断

软件中断的概念

用软件来模拟硬件中断。

软件中断 是由 谁 进行触发的

系统调用

软件中断 与 系统调用

软件中断 与 系统调用的关系是什么？

系统调用其实是一条cpu指令，用来触发 cpu的中断。所以系统调用就是用软件来模拟硬件中断。所以 软件中断 其实就是系统调用。

硬中断触发后处理流程 vs 软件中断触发后处理流程

硬中断触发后处理流程

1: 外设将中断请求发送给中断控制器
2: 中断控制器根据优先级 有序地将中断传递给cpu
3: cpu终止执行当前程序流，触发cpu上下文切换
4: cpu根据中断号，从中断向量表之中找到对应的中断处理程序的执行地址，执行对应的中断处理程序（会分为两个部分，这里进行简化，假设只同步执行）
5: cpu进行上下文切换，返回原有的位置执行。

软件中断触发后处理流程 和硬中断处理流程的五步进程对比

1: 无 
2: 无
3: cpu终止执行当前程序流，触发cpu上下文切换
4: cpu根据中断号，从中断向量表之中找到对应的中断处理程序的执行地址，执行对应的中断处理程序（会分为两个部分，这里进行简化，假设只同步执行）
5: cpu进行上下文切换，返回原有的位置执行。 

其实只会执行三步。

一次中断 会 触发几次cpu上下文切换

会触发两次cpu上下文切换

cpu 上下文切换

什么是 cpu上下文切换？

如果要知道什么是 cpu上下文切换，必须首先知道什么是cpu上下文。

cpu上下文 是 cpu寄存器与程序计数器之中的内容，是一个程序运行所必须的内容。

cpu上下文切换 就是 替换cpu寄存器与程序计算器之中的内容。就是将原有的cpu上下文加载到内存之中，将新的任务的内容加载到cpu上下文之中。

为什么会产生cpu上下文切换 这个概念？

自己的理解： 要实现cpu 运行多个程序，必然是要实现cpu上下文切换的，这是程序运行需要cpu上下文 这个限制条件所导致的。

计算机之中是谁在执行 cpu上下文切换 这个任务呢？

是 cpu

哪些事件会触发 cpu上下文切换？

中断 会触发 cpu上下文切换。
更为具体的说，进程调度 系统调用 中断 会触发cpu上下文切换。 但是进程调度也是由中断触发的，系统调用其实是软件中断（用软件来模拟硬件中断）

cpu上下文切换的类别

根据计算机所执行的 任务 类别，来区分出不同的cpu上下文切换。 计算机所执行的任务除了 进程 和 线程之外，还有中断。
所以cpu上下文切换可以被分成 三个类别：
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 会 切换哪些资源

目前自己的理解：
进程上下文包括 用户空间 和 内核空间 两部分的资源。同时还会更新 cpu TLB（快表）的资源。

哪些行为会导致 进程上下文切换

进程调度的时候，会触发进程上下文切换。

有哪些情况会触发进程调度

• 1: 进程被分配的时间片耗尽
• 2: 进程执行完成
• 3: 进程在系统资源不足（例如内存不足）的时候会被操作系统挂起，然后由操作系统调度其他进程执行
• 4: 进程通过sleep之类的函数，主动将自己挂起，触发操作系统调度其他进程执行。
• 5: 有优先级更高的进程需要运行的时候，操作系统调度优先级更高的进程来执行。

线程上下文切换

线程上下文切换 会 切换哪些资源

如果切换的两个线程属于不同的进程，那么线程上下文切换所需切换的资源 和 进程上下文切换的资源是一致的。
如果切换的两个线程属于同一个进程，那么线程上下文切换所需的资源就仅仅是切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据。这样上下文切换的代价就小了。这就是多线程替换多进程的一个优势。

哪些行为会触发 线程上下文切换

进程调度 会 触发 线程上下文切换

中断上下文切换

中断上下文切换 会 切换哪些资源

所需切换的资源为：内核态中断处理程序所需执行所必须的状态。

哪些行为会触发中断上下文切换

硬中断 软件中断（系统调度）

进程上下文切换 线程上下文切换 中断上下文切换 三者之间的区别

三者其实是所要保存的上下文的内容不同，从这个角度上来思考即可。

cpu上下文切换监控

如何查看cpu上下文切换次数

使用vmstat 命令,查看系统整体的上下文切换次数情况

vmstat 1
// 每一秒输出一次信息

截图之中
cs字段的含义 时间间隔内上下文切换的次数。

in 字段的含义 时间间隔内中断发生的次数。

r 字段的含义 进程（或线程）就绪的数目

是否有方法区分 进程上下文切换次数 线程上下文切换次数 中断上下文切换次数

通过vmstat 可以获得中断的次数，以及cpu上下文切换的总次数。 cpu上下文切换的总次数 - 中断的次数 * 2 = 进程上下文切换次数+ 线程上下文切换次数。
自己目前没有办法获得 整个系统的进程上下文切换次数 以及 线程上下文切换次数。

如果 cpu上下文次数切换过多，会在哪个方面上表现出来？

如果cpu上下文次数切换过多，cpu的使用率会变高，cpu system字段的值会变得很高。
所以当cpu使用率很高，同时system字段的值很高的时候，可以使用vmstat 排查下，是否是cpu上下文切换的次数很多导致的。

cpu上下文切换次数过多，应该如何排查导致它的原因？

首先排查 是否是 大量的中断 导致的cpu上下文切换次数过多。

执行：
watch -d cat /proc/interrupts
监控硬中断之中变化最多的，看看是否是RES（进程调度中断）变化最多。如果是这个中断最多，那么是进程调度过多导致的cpu上下文切换次数过多。

如果 cpu上下文切换的总次数 - 中断的次数 * 2 还有很多，那么表示中断不是导致大量cpu上下文切换的元凶。
那么就从线程级别看下，是哪些线程产生了大量的上下文切换： pidstat 命令来进行排查
执行

pidstat -wtu  1

获得线程级别的 上下文切换次数，以此来获得元凶，找出具体的原因。

cswch：表示每秒自愿上下文切换的次数
nvcswch：表示每秒非自愿上下文切换的次数

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。

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。

程序员了解 cpu上下文切换的意义是什么，对于写代码而言有什么帮助

自己目前的认知，就是在 程序出现性能瓶颈(cpu使用率飙升的时候)，能够让程序员有排查的思路，当程序员的思维之中有 一个认知，大量的cpu上下文切换是会导致 cpu的使用率飙升，那么真的遇到这样的问题的时候，便可以着手进行排查。

Linux下模拟不同类型的进程

Linux下模拟cpu密集型进程

stress -i 1 --timeout 600

Linux下 模拟 io密集型进程

stress -i 1 --timeout 600

Linux下 如何模拟多进程（线程）大量调度的情况

写个 java 多线程程序 然后使用 Thread.yeild()来触发线程调度

cpu监控

如何看待cpu监控这件事情

监控的目的，是监控资源的使用。对于cpu的监控，其实是监控cpu资源的监控。了解cpu资源的使用状况，了解是谁在使用cpu资源。

Linux 与 cpu

Linux 是如何抽象cpu的（Linux是如何将cpu抽象成资源的，或者说cpu资源是什么）

自己目前的理解： 将cpu的一段时间（例如一秒）分成许多个小的片段（时间片），这些时间片就是cpu资源，代表着cpu的执行时间。哪个进程获得了时间片，代表着拥有一段时间的cpu执行时间。cpu的执行时间，就是cpu的资源。对于单核cpu而言，同一时刻只能运行一个程序。

Linux下cpu的监控指标有哪些

• cpu平均负载
• cpu使用率

cpu平均负载

什么是cpu平均负载

单位时间内 处于 活跃状态和不可中断睡眠状态的 平均进程数。
所以简单地理解：cpu平均负载就是 平均进程数（处于活跃状态和不可中断状态）

活跃状态：处于运行状态或者处于就绪状态，等待被cpu调度执行的进程。
不可中断睡眠状态：进程正在和硬件进行交互，交互过程不能被其他进程或中断打断（并不会占据cpu,只是强调不能被打断。）

备注：处于不可中断睡眠状态的进程 会被 操作系统挂起。

cpu平均负载的统计规则

单位时间内 处于 活跃状态和不可中断状态的 平均进程数。

评价 cpu平均负载 这个指标是否过高的标准

首先查看当前服务器上的逻辑cpu的个数，如果cpu平均负载的值超过逻辑cpu数目的70%，那么cpu平均负载这个指标过高。

Linux下 如何查看cpu负载

执行命令 uptime

备注：load average 后面的三个数字，分别表示 过去一分钟 过去五分钟 过去十五分钟内的cpu平均负载。

cpu平均负载的意义是什么？数字的背后折射出什么？程序员应该带着怎么样的思绪来看待这个指标？

当cpu平均负载这个值过高，那么表示系统的资源存在一定的瓶颈，需要着手排查具体的原因。

如果cpu平均负载这个指标升高了，
可能是硬件出现了问题，导致 处于不可中断睡眠状态的进程数目增多了，导致cpu平均负载升高，
还可能是存在大量的进程（线程） 等待调度。
还有可能是上面两种情况一起出现。

cpu平均负载 是否和 cpu使用率 有着联动的关系，就是cpu负载越高，cpu使用率越高？

不一定。 要分情况来讨论。
对于cpu密集型进程而言，cpu使用率很高的同时，cpu平均负载也会很高。
对于io密集型的进程而言，cpu使用率不一定很高，但是cpu平均负载会很高。
存在大量进程调度情况的时候，cpu的使用率很高的同时，cpu平均负载也会很高。

注意：
cpu使用率很高，但是cpu平均负载不一定高。两个指标并没有很强的关联性。

cpu平均负载很高的时候，应该如何排查？

1：首先排查服务器上是否存在大量进程调度的情况。 执行vmstat,查看 r字段的值 是否远远超过cpu的逻辑核数。

2：排查是否是硬件导致的cpu平均负载很高。 执行
mpstat -P ALL 3 1 命令的含义：三秒后 输出一组cpu的使用数据。
重点查看 %iowait字段，如果这个字段很高，那么表示是io等待导致的cpu平均负载很高的问题。

那么如何排查，是哪个进程存在大量的io等待呢？（将问题定位到具体的进程） 执行
pidstat -u 3 1 命令的含义：三秒之后输出一组数据，显示进程的cpu占用。

可以通过观察 %CPU 这个指标来查看是哪个进程消耗大量的cpu的。

3：排查是否存在cpu密集型的进程，导致cpu平均负载很高 执行
pidstat -u 3 1
命令的含义：三秒之后输出一组数据，显示进程的cpu占用。

cpu 使用率

cpu使用率的含义是什么？

自己的理解：就是一段时间内 cpu的使用状况。在这段时间内，cpu的运转状况。

Linux 与 cpu使用率

cpu使用率的统计方式

首先要确认，cpu使用率统计程序是在什么时候执行的。
cpu使用率统计程序是在 时钟中断处理程序之中被执行的。
将cpu的使用率分为 us ni sys hi si wa st id 这几种类别。

消耗在某种状态下的cpu时间 / 总时间 = 某种状态的cpu使用率。

cpu us字段

进程用户态所占据的cpu时间比例。（这里所统计的进程指 nice值小于等于0的进程）

cpu ni 字段

进程用户态所占据的cpu时间比例。（这里所包含的进程，是指 nice值大于0的进程。）

Linux下 使 ni字段的值 飙升的方式

定义一个无限循环的程序， nice -n 正数 运行程序。 然后就可以看到 cpu nice字段的使用率飙升。

cpu sys 字段

进程处于内核态所占据的cpu时间比例（除去硬中断 软中断）

哪些行为会占据 cpu sys字段

cpu上下文切换
中断处理程序的执行 ...

cpu hi 字段

进程处于硬中断所占据的cpu时间比例。（硬中断，也是处于内核态的一种，只是不被统计进入sys字段而已）

cpu si 字段

进程处于软中断所占据的cpu时间比例。（软中断，也是处于内核态的一种，只是不被统计进入sys字段）

Linux 如何模拟 si飙升的情况

1：docker run -itd --name=nginx -p 80:80 nginx 2：hping3 -S -p 80 -i u100 ip地址 通过发送大量的网络包，触发硬中断，触发软中断，来使cpu si 飙升。

si字段的值 飙升背后的含义

cpu 花费大量的时间在si上。表示大量的软中断被触发。 如果软中断在cpu上分布不均匀的话，那么会出现问题。 这是需要关注软中断的真实原因。

cpu wa 字段

wa的定义是 在cpu处于空闲状态时，会检查是否有阻塞的io,如果有的话，会记入wa。
其实可以想下，如果io压力很大，所有的进程都在等待cpu，那么cpu的时间片就找不到进程了。 所以这段时间其实就是相当于花费在了iowait上。

Linux下模拟使 wa字段的值 飙升的简单命令

stress -i 2 --timeout 500

如何看待所观察到 wa 字段的值很高，背后的含义

1：wa 飙升，表示 系统的io压力 逐渐变大。 2：可能是 磁盘等硬件设备出现了损坏

cpu steal 字段

虚拟cpu等待的时间

cpu id 字段

cpu处于空闲状态所占据的cpu时间的比例。

Linux下 如何查看 cpu使用率

top 命令来查看 Linux系统级别 cpu的使用状况。
注意：top命令默认的时间间隔是3秒

Linux下 哪些行为会消耗cpu的资源

自己目前的理解：
中断 以及 程序的运行 会消耗cpu的资源。

Linux下 如何查看 进程对于cpu资源的消耗情况

使用pidstat 命令来查看 进程级别 对于 cpu资源的使用情况 执行：
pidstat 1 5
命令含义：每隔一秒输出一次 进程对于cpu资源的使用情况，一共输出五次。

Linux下 cpu使用率过高，应该如何去排查

排查的思路就是：
首先看是cpu使用率的哪个字段的值过高。

如果是us字段过高，那么使用pidstat查看进程级别对于cpu资源的使用情况，查看是否是由某个进程导致的。

如果是sys字段的值过高，那么使用 vmstat 查看 系统整体上的上下文切换次数，以及使用pidstat 来查看线程级别的上下文切换次数，来找出是哪个进程导致的。

如果是wa字段的值过高，那么表示是系统的io压力很大，瓶颈在于io,使用pidstat 找出是哪个进程的io压力很大，然后进行分析。

如果是si字段的值很高导致的，那么表示大量的软中断触发导致cpu资源的大量使用。可以查看 /proc/softirqs 文件之中的数据，来找出是哪一种软中断大量触发，然后来进行分析。

如果是hi字段的值很高，背后的含义是大量的硬中断占据着cpu资源，可以架空 /proc/interrupts 文件之中的数据，来判断是哪个硬中断在大量触发。

如果ni字段的值很高，那么就表示 nice值大于0的进程在占据大量的cpu,使用pidstat 查看进程级别的cpu使用状况即可。

找到了是哪个进程导致的cpu使用率飙升，如何发现具体是哪一行代码导致的呢？

使用perf 命令来观察具体的问题代码行数：
perf top -g -p 进程id

如果系统的cpu使用率很高，但是按进程分析，却没有一个进程的cpu使用率很高的时候，应该采取什么样的方式来排查？

这个问题可能是短时应用导致的。大概是 应用之中调用了其他二进制应用，这些程序通常运行的时间比较短，通过top等工具也不容易发现。
可以使用 execsnoop 命令来排查是否是短时应用导致的cpu使用率飙升。
或者可能是某个进程不断崩溃又重启，导致的大量cpu消耗。