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在Linux操作系統(tǒng)中，進(jìn)程切換是操作系統(tǒng)進(jìn)行多任務(wù)操作的基礎(chǔ)。進(jìn)程切換的頻率會(huì)對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響，因此，監(jiān)控和分析進(jìn)程切換是優(yōu)化系統(tǒng)性能的重要步驟之一。而Linux進(jìn)程切換日志是一個(gè)非常有用的工具，可以用來(lái)分析系統(tǒng)的性能和資源使用情況，進(jìn)而提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可用性。
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本文將介紹Linux進(jìn)程切換過(guò)程的基本概念，講解如何開(kāi)啟和啟動(dòng)進(jìn)程切換日志，以及如何進(jìn)行日志分析和應(yīng)用優(yōu)化。
一、Linux進(jìn)程切換概述
在多任務(wù)操作系統(tǒng)中，CPU要依次運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程。每次CPU從一個(gè)進(jìn)程中切換到另一個(gè)進(jìn)程時(shí)，就稱(chēng)為進(jìn)程切換。進(jìn)程切換是操作系統(tǒng)內(nèi)核的關(guān)鍵部分，它可以分為以下兩種類(lèi)型：
1. 內(nèi)核態(tài)切換：當(dāng)進(jìn)程執(zhí)行內(nèi)核代碼時(shí)，比如進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用或者異常處理時(shí)，就會(huì)觸發(fā)內(nèi)核態(tài)切換，即進(jìn)入內(nèi)核態(tài)執(zhí)行內(nèi)核代碼。
2. 用戶(hù)態(tài)切換：當(dāng)進(jìn)程執(zhí)行用戶(hù)代碼時(shí)，比如進(jìn)行普通的計(jì)算時(shí)，就會(huì)觸發(fā)用戶(hù)態(tài)切換，即離開(kāi)內(nèi)核態(tài)，進(jìn)入用戶(hù)態(tài)執(zhí)行用戶(hù)代碼。
進(jìn)程切換會(huì)消耗一定的時(shí)間和資源。在切換過(guò)程中，操作系統(tǒng)需要保存當(dāng)前進(jìn)程的上下文，包括程序計(jì)數(shù)器、寄存器和堆棧指針等。然后，操作系統(tǒng)會(huì)恢復(fù)另一個(gè)進(jìn)程的上下文，并將控制權(quán)轉(zhuǎn)移到該進(jìn)程上。進(jìn)程切換的開(kāi)銷(xiāo)直接影響到系統(tǒng)的性能和響應(yīng)速度。
二、開(kāi)啟進(jìn)程切換日志
Linux內(nèi)核提供了一種機(jī)制，可以記錄系統(tǒng)中每個(gè)進(jìn)程的上下文切換情況，包括進(jìn)程的PID、執(zhí)行時(shí)間、狀態(tài)等信息。這種機(jī)制就是進(jìn)程切換日志，也稱(chēng)為L(zhǎng)inux內(nèi)核可觀測(cè)性工具（Linux Kernel Observability Tools）。
在Linux操作系統(tǒng)中，開(kāi)啟進(jìn)程切換日志的方法如下：
1. 確認(rèn)系統(tǒng)內(nèi)核版本。進(jìn)程切換日志需要Linux內(nèi)核版本在2.6及以上。
2. 安裝perf工具。perf工具是一個(gè)性能分析工具，可以監(jiān)測(cè)進(jìn)程、系統(tǒng)、CPU等資源的使用情況。在Debian系統(tǒng)上，可以使用以下命令安裝：
“`
sudo apt-get update
sudo apt-get install linux-tools-common linux-tools-`uname -r`
“`
3. 開(kāi)啟內(nèi)核選項(xiàng)。需要開(kāi)啟CONFIG_TASK_DELAY_ACCT內(nèi)核選項(xiàng)，才能記錄進(jìn)程切換情況。可以使用以下命令查看內(nèi)核選項(xiàng)是否開(kāi)啟：
“`
grep CONFIG_TASK_DELAY_ACCT /boot/config-`uname -r`
“`
如果輸出“CONFIG_TASK_DELAY_ACCT=y”，則說(shuō)明該內(nèi)核選項(xiàng)已開(kāi)啟，否則需要手動(dòng)開(kāi)啟。
4. 開(kāi)啟進(jìn)程切換日志?？梢允褂靡韵旅铋_(kāi)啟進(jìn)程切換日志：
“`
sudo sysctl kernel.sched_enable_thread_group=1
sudo sysctl kernel.sched_enable_task_sniper=1
sudo sysctl kernel.sched_frequency_scaling=0
sudo sysctl kernel.sched_wakeup_granularity_ns=3000000
sudo sysctl kernel.sched_latency_ns=15000000
sudo sysctl kernel.sched_migration_cost_ns=500000
“`
以上命令設(shè)置了一些內(nèi)核參數(shù)，以便記錄進(jìn)程切換的詳細(xì)信息。這些參數(shù)的含義可以參考Linux官方文檔。
5. 啟動(dòng)perf工具?？梢允褂靡韵旅顔?dòng)perf工具，開(kāi)始記錄進(jìn)程切換日志：
“`
sudo perf record -e sched:sched_switch -a -g — sleep 1
“`
以上命令添加了sched:sched_switch事件，用于記錄進(jìn)程的上下文切換事件。-a參數(shù)表示監(jiān)控所有CPU核心，-g參數(shù)表示記錄調(diào)用關(guān)系（CallGraph）。以上命令將記錄1秒鐘的數(shù)據(jù)。
三、解析和分析進(jìn)程切換日志
perf工具可以將進(jìn)程切換日志記錄到文件中，文件可以使用perf report命令進(jìn)行分析和查詢(xún)。perf report命令可以將進(jìn)程切換日志展示成可視化的報(bào)告，以便分析進(jìn)程的上下文切換情況。
以下是一個(gè)perf report報(bào)告的示例。該報(bào)告展示了進(jìn)程上下文切換的統(tǒng)計(jì)信息，包括切換次數(shù)、切換時(shí)間、等待時(shí)間、進(jìn)程耗時(shí)等信息。
“`
-+—–+—–+——-+——–+———+———-+———–+———-+——–+——–+——–+
|events/s|100ms| | |context-s|context-s |context-s |context-s |context-s| | |
| | |switch |process |witches |per second|per minute|per hour |per day |process |process |
| | | | | | | | | |switches|switch time|
-+—–+—–+——-+——–+———+———-+———–+———–+———+——–+———-+
100.00| 751|123,780| 15.17% | 123,780| 164,005 | 9,840,313| 236,167,518| 5,667,981| 8,181 | 2.51s |
100.00| 748|123,914| 15.19% | 123,914| 165,474 | 9,928,434| 238,882,411| 5,732,377| 8,157 | 2.50s |
100.00| 752|123,591| 15.15% | 123,591| 164,303 | 9,858,156| 237,796,147| 5,706,709| 8,201 | 2.51s |
100.00| 751|123,724| 15.17% | 123,724| 164,530 | 9,871,814| 237,524,332| 5,699,985| 8,177 | 2.51s |
100.00| 751|123,856| 15.18% | 123,856| 164,757 | 9,885,471| 237,252,518| 5,693,272| 8,157 | 2.50s |
100.00| 751|123,989| 15.20% | 123,989| 164,984 | 9,899,129| 236,980,703| 5,686,570| 8,153 | 2.51s |
100.00| 752|123,666| 15.16% | 123,666| 163,814 | 9,828,845| 235,894,439| 5,660,858| 8,171 | 2.50s |
100.00| 751|123,798| 15.18% | 123,798| 164,041 | 9,842,503| 235,622,624| 5,654,150| 8,178 | 2.51s |
-+—–+—–+——-+——–+———+———-+———–+———–+———+——–+———-+
“`
從上述報(bào)告中，我們可以看到：
– switch列展示了每秒切換次數(shù)。
– process switches列展示了每秒從當(dāng)前進(jìn)程切換到另一個(gè)進(jìn)程的次數(shù)。
– %column表示每個(gè)進(jìn)程的切換占總切換次數(shù)的百分比。
– context-switches、context-switches per second、context-switches per minute等列展示了進(jìn)程的上下文切換的信息，包括每秒、每分鐘、每小時(shí)、每天的切換量等。
– process column表示每個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行時(shí)間。
從這些信息中，我們可以分析系統(tǒng)的性能和資源使用情況，識(shí)別潛在的性能問(wèn)題并進(jìn)行優(yōu)化。
四、應(yīng)用優(yōu)化
通過(guò)進(jìn)程切換日志的分析，我們可以找出系統(tǒng)性能瓶頸和性能瓶頸所在的進(jìn)程，進(jìn)而進(jìn)行優(yōu)化。
例如：
1. 調(diào)整進(jìn)程調(diào)度策略：Linux內(nèi)核中支持多種進(jìn)程調(diào)度策略（scheng policy），可以根據(jù)進(jìn)程的特定需求，調(diào)整進(jìn)程調(diào)度策略，提升性能。
2. 優(yōu)化IO操作：IO操作會(huì)占用大量的CPU時(shí)間，影響系統(tǒng)的性能。可以使用異步IO操作或者調(diào)整IO大小等方式進(jìn)行優(yōu)化，減少CPU的等待時(shí)間。
3. 減少進(jìn)程切換：減少進(jìn)程切換可以降低CPU的開(kāi)銷(xiāo)，提升系統(tǒng)的性能。可以通過(guò)調(diào)整進(jìn)程優(yōu)先級(jí)、調(diào)整進(jìn)程分配的CPU核心等方式實(shí)現(xiàn)。
進(jìn)程切換是操作系統(tǒng)多任務(wù)操作的基本部分，也是系統(tǒng)性能和響應(yīng)速度的關(guān)鍵因素。通過(guò)開(kāi)啟進(jìn)程切換日志并進(jìn)行分析，我們可以深入了解系統(tǒng)的性能和資源使用情況，并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可用性。
相關(guān)問(wèn)題拓展閱讀：
- linux系統(tǒng)日志在哪里
linux系統(tǒng)日志在哪里
日志文件的默認(rèn)路徑是：/var/log
下面是幾個(gè)重要的日志文件的路徑及其包含的信息
/var/log/syslog：它和/etc/log/messages日志文件不同，它只記錄警告信息，常常是系統(tǒng)出問(wèn)題的信息。
/var/log/messages：包括整體雹亮則系統(tǒng)信息，其中也包含系統(tǒng)啟動(dòng)期間的日志。此外，還包括mail，cron，daemon，kern和auth等內(nèi)容
/var/log/user.log：記錄所有等級(jí)用戶(hù)信息的日志。
/var/log/auth.log：包含系統(tǒng)授權(quán)信息，包括用戶(hù)登錄和使用的權(quán)限機(jī)制等。
/var/log/daemon.log：包含各種系統(tǒng)后臺(tái)守護(hù)進(jìn)程日志信息。
/var/log/kern.log：包含內(nèi)核產(chǎn)生的日志，有助于在鍵鎮(zhèn)定制內(nèi)核時(shí)解決問(wèn)題。
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