1. 概述
使用vmstat查看上下文切换
# 每隔5秒输出1组数据
$ vmstat 5
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 7005360 91564 818900 0 0 0 0 25 33 0 0 100 0 0
终端 1：
stress -c 8 --timeout 600
指标解释：
- 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。
这里可能对于 Blocked这个指标有点疑惑，要说明这个指标，需要了解可中断睡眠和不可中断睡眠的区别以及概念：
可中断睡眠与不可中断睡眠：
- 可中断睡眠（Interruptible Sleep） ：
-
- 进程会进入睡眠状态，通常是等待某些事件（如 I/O 操作、资源分配等）。在这期间，进程会定期被调度器检查，如果该事件发生，进程会被唤醒。
- 这时，进程可以被外部信号打断或唤醒，恢复到就绪队列中。
- 不可中断睡眠（Uninterruptible Sleep） ：
-
- 进程进入睡眠状态，通常是等待某些关键资源（如硬件设备、内存等）。在这种状态下，进程不会响应信号，也无法被外部操作打断。
- 进程处于不可中断睡眠状态时，系统无法立即调度该进程，除非资源或条件满足。例如，等待磁盘 I/O 操作完成的进程就可能进入不可中断睡眠。
b（Blocked） 的含义：
- b（Blocked） 指的是处于不可中断睡眠状态的进程数。这些进程无法运行或被调度，直到等待的事件或资源可用。
- 例如，如果某个进程正在等待 I/O 操作完成（如读取文件或等待网络响应），在这期间它会处于不可中断睡眠状态，直到 I/O 操作结束才会被唤醒，恢复到就绪队列。
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用到pidstat 加上 -w
pidstat -w 1
- 所谓自愿上下文切换（cswch），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（nvcswch），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。
2. 案例
环境准备：
- 操作系统：Ubuntu 18.04
- 机器配置：2 CPU，8GB 内存。
- 预先安装 sysbench 和 sysstat 包，如
apt -y install sysbench sysstat。
如果ubuntu版本较低，如16.04，默认会安装0.4版本的sysbench。
vmstat 看一下空闲系统的上下文切换次数：
root@ubuntu:~# vmstat 1
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st
1 0 21604 571468 20768 406448 3 5 230 54450 598 1582 17 6 75 2 0
0 0 21604 571352 20768 406448 0 0 0 0 221 81 0 0 100 0 0
0 0 21604 571352 20768 406448 0 0 0 0 224 24 0 0 100 0 0
0 0 21604 571228 20768 406448 0 0 0 0 225 70 0 0 100 0 0
0 0 21604 571228 20768 406448 0 0 0 0 222 26 0 0 100 0 0
0 0 21604 571228 20768 406448 0 0 0 0 237 65 0 0 100 0 0
终端 1：
# 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 --max-time=300 threads run
终端 2：
# 每隔1秒输出1组数据（需要Ctrl+C才结束）
$ vmstat 1
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st
6 0 0 6487428 118240 1292772 0 0 0 0 9019 1398830 16 84 0 0 0
8 0 0 6487428 118240 1292772 0 0 0 0 10191 1392312 16 84 0 0 0
观察几个重要指标：
- -r 列：就绪队列的长度已经到了 8，远远超过了系统 CPU 的个数 2，所以肯定会有大量的 CPU 竞争。
- us（user）和 sy（system）列：这两列的 CPU 使用率加起来上升到了 100%，其中系统 CPU 使用率，也就是 sy 列高达 89%，说明 CPU 主要是被内核占用了。
- in 列：中断次数也上升到了 1 万以上，说明中断处理也是个潜在的问题。
使用pidstat继续查看
Linux 4.15.0-213-generic (calvin) 12/26/2024 _x86_64_ (2 CPU)
03:46:45 AM UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command
03:46:46 AM 0 4311 23.76 100.00 0.00 0.00 100.00 1 sysbench
03:46:45 AM UID PID cswch/s nvcswch/s Command
03:46:46 AM 0 8 8.91 0.00 rcu_sched
03:46:46 AM 0 16 0.99 0.00 ksoftirqd/1
03:46:46 AM 0 223 0.99 0.00 kworker/0:1H
03:46:46 AM 0 501 0.99 0.00 hv_balloon
03:46:46 AM 0 2352 9.90 0.00 kworker/u4:5
03:46:46 AM 0 2388 1.98 0.00 kworker/0:7
03:46:46 AM 0 2928 1.98 0.00 sshd
03:46:46 AM 0 3608 0.99 0.00 kworker/1:0
03:46:46 AM 0 4305 0.99 1.98 vmstat
03:46:46 AM 0 4306 1.98 0.00 kworker/u4:0
03:46:46 AM 0 4322 0.99 0.00 pidstat
03:46:46 AM UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command
03:46:47 AM 0 4311 24.00 100.00 0.00 0.00 100.00 1 sysbench
03:46:47 AM 0 4322 0.00 1.00 0.00 0.00 1.00 1 pidstat
03:46:46 AM UID PID cswch/s nvcswch/s Command
03:46:47 AM 0 8 10.00 0.00 rcu_sched
03:46:47 AM 0 16 5.00 0.00 ksoftirqd/1
03:46:47 AM 0 454 2.00 0.00 systemd-journal
03:46:47 AM 0 501 1.00 0.00 hv_balloon
03:46:47 AM 0 2352 235.00 0.00 kworker/u4:5
03:46:47 AM 0 2388 2.00 0.00 kworker/0:7
03:46:47 AM 0 2928 2.00 0.00 sshd
03:46:47 AM 0 3080 228.00 1.00 sshd
03:46:47 AM 0 3608 1.00 0.00 kworker/1:0
03:46:47 AM 0 4305 1.00 2.00 vmstat
03:46:47 AM 0 4322 1.00 228.00 pidstat
^C
Average: UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command
Average: 0 4311 23.88 100.00 0.00 0.00 100.00 - sysbench
Average: 0 4322 0.00 0.50 0.00 0.00 0.50 - pidstat
Average: UID PID cswch/s nvcswch/s Command
Average: 0 8 9.45 0.00 rcu_sched
Average: 0 16 2.99 0.00 ksoftirqd/1
Average: 0 223 0.50 0.00 kworker/0:1H
Average: 0 454 1.00 0.00 systemd-journal
Average: 0 501 1.00 0.00 hv_balloon
Average: 0 2352 121.89 0.00 kworker/u4:5
Average: 0 2388 1.99 0.00 kworker/0:7
Average: 0 2928 1.99 0.00 sshd
Average: 0 3080 113.43 0.50 sshd
Average: 0 3608 1.00 0.00 kworker/1:0
Average: 0 4305 1.00 1.99 vmstat
Average: 0 4306 1.00 0.00 kworker/u4:0
Average: 0 4322 1.00 113.43 pidstat
vmstat有几百万的cs，pidstat只有几百？这是因为pidstat默认查看的是进程的上下文切换，sysbench是多线程压测，需要查看线程cs
# 每隔1秒输出一组数据（需要 Ctrl+C 才结束）
# -wt 参数表示输出线程的上下文切换指标
$ pidstat -wt 1
08:14:05 UID TGID TID cswch/s nvcswch/s Command
...
08:14:05 0 10551 - 6.00 0.00 sysbench
08:14:05 0 - 10551 6.00 0.00 |__sysbench
08:14:05 0 - 10552 18911.00 103740.00 |__sysbench
08:14:05 0 - 10553 18915.00 100955.00 |__sysbench
08:14:05 0 - 10554 18827.00 103954.00 |__sysbench
...
到这里已经知道了上下文切换是由于Sysbench导致的，那么在vmstat命令，我们还发现有一万多的in（硬中断），既然是中断，发生在内核层，pidstat只是进程分析工具，无法得知硬中断发生的原因，需要从/proc/interrupts获取
# -d 参数表示高亮显示变化的区域
$watch -d 'cat /proc/interrupts | sort -nr -k 2 '
CPU0 CPU1
...
RES: 2450431 5279697 Rescheduling interrupts
...
变化速度最快的是重调度中断（RES），这个中断类型表示，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）。
上下文切换并没有标准值，平时在几万甚至到几百万都是正常。不过从几万瞬间飙到几百万，这个可能是不正常的，需要分析原因，此时还需要根据上下文切换类型分析：
- 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。
3. 小结
首先通过uptime查看系统负载，然后使用mpstat结合pidstat来初步判断到底是cpu计算量大还是进程争抢过大或者是io过多，接着使用vmstat分析切换次数，以及切换类型，来进一步判断到底是io过多导致问题还是进程争抢激烈导致问题。 其中硬中断需要通过/proc 文件系统中的interrupts来判断。上下文并没有一个健康的绝对值，主要还是要观察期变化。
