一. 上节回顾
1. 什么是进程？什么是线程？它们之间的区别？
2. CPU命令
查看物理CPU的个数
查看每个物理CPU的核数
查看逻辑CPU的个数
3. CPU架构
从处理器层面查看
从操作系统层面查看
4. uptime
load average：三个负载的含义
平均负载和CPU使用率
5. 场景一：CPU密集型进程
二. 场景二：I/O密集型进程
1. 在第一个终端里运行
stress-ng -i 1 --hdd 1 --timeout 600 #hdd表示读写临时文件 或者stress -i 1 --timeout 600 #iowait没有什么变化，效果不明显 或者stress -d 1 -t 600 #查看进程时不太明显，进程占用不是很明显
2. 在第二个终端里运行
watch -d uptime
3. 在第三个终端里使用mpstat查看CPU使用率的变化情况
mpstat -P ALL 5
在运行的过程中，1分钟的平均负载会慢慢不断升高，其中一个CPU使用率升高超过90%以上，iowait也很高，说明平均负载的升高是由于iowait的升高导致的
4. 查看是哪个进程导致的
pidstat -u 5 1
换stress-ng
首先得安装stress-ng，yum install -y stress-ng
三. 场景三：大量进程的场景
当系统中运行进程超出CPU运行能力时，是不是出现等待CPU的进程情况
1. 在第一个终端中模拟12个进程
stress -c 12 --timeout 600
由于系统只有4个CPU，明显比12个进程要少得多，因此系统CPU处于严重过载状态
2. 在第二个终端中使用uptime查看
平均负载高达load average：10.41
3. 在第三个终端运行pidstat -u 5（一直运行，观察多组数据）来看一下进程的情况
可以看出，12个进程在抢夺4个CPU，每个进程等待CPU时间（也就是%wait）高达60%以上，明显超出CPU的计算范围，最终导致CPU过载
总结一下：
CPU使用率，是单位时间内CPU繁忙情况的统计，跟平均负载并不一定完全对应
(1) CPU密集型进程：使用大量CPU会导致平均负载升高，此时这两者是一致的
(2) I/O密集型进程：等待I/O也会导致平均负载升高，但CPU使用率(user%)不一定很高
(3) 大量等待CPU的进程调度也会导致平均负载升高
四. CPU上下文切换
1. 多任务操作系统
Linux是一个多任务操作系统（一台机器可以多个用户同时登录，另外其他人是无感知的），而Windows是单任务操作系统
2. CPU上下文
Linux支持远大于CPU数量的任务同时运行，在每个任务运行前，CPU都需要知道任务从哪里加载，又从哪里开始运行，也就是说，需要系统事先帮它设置好CPU寄存器和程序计数器
CPU寄存器：是CPU内置的容量小，但速度极快的内存
程序计数器：是用来存储CPU正在执行的指令位置，或者即将执行的下一个指令位置
它们都是CPU在运行任何任务前，必须要依赖的环境，因此也被叫做CPU上下文
3. CPU上下文切换
先把前一个任务的CPU上下文（CPU寄存器和程序计数器）保存起来，然后加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器，最后再跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务
有人会认为：CPU上下文切换无非就是更新了CPU寄存器的值。这些寄存器，就是为了快速运行任务设计的，为什么影响系统的CPU性能呢？
操作系统管理的这些任务到底是什么？有人会任务：任务就是进程，任务就是线程。是的，进程和线程是最常见的任务，但除此之外，还有没有其他的任务呢？
根据任务的不同，CPU上下文切换可以分为几个不同的场景：
(1) 进程上下文切换
Linux按照特权等级，把进程的运行空间分为内核空间和用户空间，如下图所示：
进程既可以在用户空间运行，又可以在内核空间运行，进程在用户空间运行时，被称为进程的用户态，而在内核空间的时候，被称为进程的内核态
从用户态到内核态的转变，需要通过系统调用来完成，比如：
在查看文件内容时，需要多次系统调用来完成：首先调用open()打开文件，然后调用read()读取文件内容，并调用write()将内容写到标准输出，最后再调用close()关闭文件
进程上下文切换是指一个进程切换到另一个进程运行，而系统在调用过程中一直是同一个进程在运行，所以系统调用的过程通常被称为特权切换模式，而不是上下文切换。系统调用是同一个进程、同一个线程的操作，就像打开文件，就是这个动作去执行了，不会又切换到其他的线程来打开文件操作
(2) 线程上下文切换
线程与进程的最大区别在于：线程是调度的基本单位，而进程是资源拥有的基本单位，所谓内核中的任务调度实际上调度对象是线程，而进程只是给线程提供了虚拟内存、全局变量等资源
对于线程和进程，可以这样理解：
当进程中只有一个线程时，可以认为进程就等于线程
当进程拥有多个线程时，这些线程会共享相同的虚拟内存和全局变量等资源，这些资源在上下文切换时是不需要修改的
另外，线程也有自己的私有数据，比如栈和寄存器，这些在上下文切换时也是需要保存的，这样，线程的上下文也可以分为两种情况：
第一种：前后两个线程属于不同进程，此时，资源不共享，所以切换过程就跟进程上下文切换是一样的
第二种：前后两个线程属于同一个进程，此时因为虚拟内存是共享的，所以在切换时，虚拟内存这些资源就保存不动，只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据
(3) 中断上下文切换
为了快速响应硬件的事件，中断处理会打断进程的正常调度和执行，转而调用中断处理事件，响应设备事件，而在打断其他进程时，就需要将进程当前状态保存下来，这样在中断结束后，进程仍然可以从原来的状态恢复运行
中断上下文只包括内核态中断服务程序执行所必须的状态，包括CPU寄存器，内核堆栈，硬件中断参数等
对同一个CPU来说，中断处理比进程拥有更高的优先级，所以中断上下文切换并不会和进程上下文切换同时发生
另外，跟进程上下文切换一样，中断上下文切换也需要消耗CPU，切换次数过多也会耗费大量的CPU，严重降低系统的整体性能，所以，在性能测试过程中，当你发现中断次数过多时，需要注意排查它是个给你的系统带来严重的性能问题
做一个小的总结：
不管是哪种场景导致的上下文切换，都应该知道：
CPU上下文切换，是保证Linux系统正常工作的核心功能之一，一般情况下是不需要我们特别关注，但过多的上下文切换，会把CPU时间消耗在寄存器上、内核栈以及虚拟内存等数据的保存和恢复上，从而缩短进程真正运行的时间，导致系统的整体性能大幅下降
4. 怎么查看系统的上下文切换情况
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，也可用来分析CPU上下文切换和中断的次数
vmstat 5 # 5：每5s更新一次
procs
r：表示运行和等待CPU时间片的进程数，这个值如果长期大于系统CPU的个数，说明CPU不足，需要增加CPU
b：表示在等待资源的进程数，比如正在等待I/O或者内存交换
------memory------
swpd：表示切换到内存交换区的内存大小（单位：KB），通俗讲就是虚拟内存的大小。如果swap的值不为0或者比较大，只要si，so的值长期为0，这个情况一般属于正常的
free：表示当前空闲的物理内存（单位：KB）
buff：表示bufferscached内存大小，也就是缓冲大小，一般对块设备的读写才需要缓冲
cache：表示pagecached的内存大小，也就是缓冲大小，一般作为系统进行缓冲。频繁访问的文件都会被缓存，如果cache值非常大说明缓存文件比较多，如果此时io中的bi比较小，说明文件系统效率比较好
------swap------
si：表示由磁盘调入内存，也就是内存进入内存交换区的内存大小
so：表示由内存进入磁盘，也就是内存交换区进入内存的内存大小
一般情况下：si，so的值都为0，如果si，so的值长期不为0，说明系统内存不足，需要增加系统内存
------io------
bi：表示由块设备读入数据的总量，即读磁盘，单位kb/s
bo：表示写设备数据的总量，就是写磁盘，单位kb/s
------system------
in：表示某一时间间隔内的每秒设备中断数
cs：表示每次产生的上下文切换次数
------cpu------
us：用户进程消耗的CPU时间百分比，us值越高，说明用户进程消耗CPU时间越多，如果长期大于80%以上，就需要考虑优化程序或者算法
sy：表示系统内核进程消耗的CPU时间百分比，一般来说us + sy应该小于80%，如果大于80%，说明可能CPU处于瓶颈
id：表示CPU处于空闲状态的时间百分比
wa：表示等待CPU的时间百分比，wa值越高，说明I/O等待越严重，根据经验wa的参考值为20%，如果超过20%，说明I/O等待严重，引起I/O等待的原因可能是磁盘大量随机读写造成的，也可能是磁盘的块操作造成的
st：
通过上面的描述，如果要来评估CPU，需要重点关注procs的r列值和CPU项的us，sy，wa列的值，system的in，cs的值