CPU性能指标详解

一、服务器CPU简介

CPU的概念：

CPU(Central Processing Unit)又叫中央处理器，其主要功能是进行运算和逻辑运算，内部结构大概可以分为控制单元、算术逻辑单元和存储单元等几个部分。按照其处理信息的字长可以分为：八位微处理器、十六位微处理器、三十二位微处理器以及六十四位微处理器等等。 

　　目前，服务器的CPU仍按CPU的指令系统来区分，通常分为CISC型CPU和RISC型CPU两类，后来又出现了一种64位的VLIM(Very Long Instruction Word超长指令集架构)指令系统的CPU。

• CPU架构：

• • 复杂指令集CPU：X86架构：如intel、AMD
  • 精简指令集CPU：ARM架构如飞腾、PowerPC架构如IBM

• CPU主频：

• • CPU内核的时钟频率，它是指CPU内部晶振的频率，表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度，常用单位为MHz，它反映了CPU的基本工作节拍，很大程度上影响了CPU的运算速度，CPU的很多性能指标，都会和时钟频率有关，所以一般来说，主频频率越高，CPU每秒处理的数据就越多。

• CPU核心线程：

• • 我们任务管理器下看到的CPU总数，是你的CPU物理核心数用超线程技术虚拟出来的核心数
  • 线程数就是模拟出来的CPU核心数（注意不是CPU物理核心数）
  • 对于一个CPU，线程数总是大于或等于核心数（物理核心）的。一个核心（物理核心）最少对应一个线程，但通过超线程技术，一个核心可以对应两个线程，也就是说它可以同时运行两个线程。这也就解释了为什么会有六核心（物理核心）十二线程（CPU核心数）的原因。

• CPU缓存：

• • 用于减少处理器访问内存所需平均时间的部件。在金字塔式存储体系中它位于自顶向下的第二层，仅次于CPU寄存器。其容量远小于内存，但速度却可以接近处理器的频率。

• Architecture: #x86架构/arm架构
• Thread(s) per core: #每个核心的线程数量
• Core(s) per socket: #每颗物理CPU的核数
• CPU socket(s): #物理CPU个数
• CPU MHz: #cpu主频，也就是CPU内核的时钟频率，运算速度

cpu核数计算：

CPU总核数=物理CPU个数 * 每颗物理CPU的核数 =8*1=8

总逻辑CPU数=物理CPU个数 * 每颗物理CPU的核数 * 超线程数* 复用比=8*1*1=8

二、CPU性能指标分类

cpu的性能指标有如下图几种：

三、CPU使用率详解

• 频率:

单位时间内完成振动或振荡的次数或周数
常用单位是赫兹。1赫兹等于1次/秒或1周/秒 

频率单位有：
Hz（赫）、kHz（千赫）、MHz（兆赫）、GHz（吉赫）。
其中1GHz=1000MHz，1MHz=1000kHz，1kHz=1000Hz

[root@localhost hello]# cat /proc/cpuinfo  //虚拟机 pc台式机的频率
processor       : 0
vendor_id       : GenuineIntel
cpu family      : 6
model           : 94
model name      : Intel(R) Core(TM) i7-6700 CPU @ 3.40GHz

• LINUX系统时钟频率:

LINUX系统时钟频率是一个常数HZ来决定的，如：通常f＝3.40GHz，那么他的精度度就是0.29ns（纳秒）。 
1GHz周期是1ns。
也就是说每0.29ns一次中断。所以一般来说Linux的精确度是1ns之内。

• 时钟周期：

时钟周期也称为振荡周期，定义为时钟频率的倒数。
时钟周期是计算机中最基本的、最小的时间单位。
在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。时钟周期是一个时间的量。
1GHz周期是1ns。
周期单位：
s（秒）、ms（毫秒）、μs（微秒）、ns（纳秒），
其中：1s=1000ms，1 ms=1000μs，1μs=1000ns。

• 指令周期：

指令周期（Instruction Cycle）：取出并执行一条指令的时间。
计算机执行指令的过程可以分为以下三个步骤：
1.Fetch（取指）也就是从 PC 寄存器里找到对应的指令地址
2.Decode（译码）根据指令寄存器里面的指令，解析成要进行什么样的操作
3.Execute（执行指令）进行算术逻辑操作、数据传输或者直接的地址跳转

对于一个指令周期来说，我们取出一条指令，然后执行它，至少需要两个 CPU 周期。
取出指令至少需要一个 CPU 周期，执行至少也需要一个 CPU 周期，复杂的指令则需要更多的 CPU 周期。
而一个CPU周期是若干时钟周期之和。

• CPU时间（monotonic time-mapping - 单调时间变换）：

• • 从操作系统开启算起，CPU就开始工作了，CPU记录自己在工作中总共使用的“时间”的累计值，并把它保存在系统中
  • 这些时间由变量jiffies来记录。系统每次启动时jiffies初始化为0，每来一个timer interrupt（时钟中断），jiffies加1，也就是说它代表系统启动后流逝的tick数
  • jiffies一定是单调递增的
  • jiffies是内核中的一个全局变量，用来记录自系统启动一来产生的时钟中断次数，在linux中，一个中断大致可理解为操作系统进程调度的最小时间片，不同linux内核可能值有不同，通常在1ms到10ms之间
  • 全局变量jiffies用来记录自系统启动以来产生的节拍的总数。启动时，内核将该变量初始化为0，此后，每次时钟中断处理程序都会增加该变量的值。一秒内时钟中断的次数等于Hz，所以jiffies一秒内增加的值也就是Hz。 系统运行时间以秒为单位，等于jiffies/Hz。

  • 

  • 

• CPU状态类型：

• • cpu time => cpu user time/sys time/nice time/idle time/irq.....

（默认情况下，top命令以3秒的频率更新输出结果）

参数	解析（单位：jiffies 记录系统启动以来产生的节拍数，一个节拍可看为进程调度的最小时间片，jiffies一定是单调递增的）
user（1204317）	从系统启动开始累计到当前时刻，处于用户态的运行时间，不包含nice值为负的进程。用户CPU使用率包括用户态 CPU 使用率（user）和低优先级用户态 CPU 使用率（nice），表示 CPU 在用户态运行的时间百分比。用户 CPU 使用率高，通常说明有应用程序比较繁忙。
nice（189103）	从系统启动开始累计到当前时刻，nice值为负的进程所占用的CPU时间
system（1171340）	从系统启动开始累计到当前时刻，处于核心态的运行时间。系统CPU使用率表示 CPU 在内核态运行的时间百分比（不包括中断）。系统 CPU 使用率高，说明内核比较繁忙。
idle（60581145）	从系统启动开始累计到当前时刻，除IO等待时间以外的其它等待时间
iowait（90421）	从系统启动开始累计到当前时刻，IO等待时间。等待 I/O 的 CPU 使用率，通常也称为 iowait，表示等待 I/O 的时间百分比。iowait 高，通常说明系统与硬件设备的 I/O 交互时间比较长。
irq（132530）	从系统启动开始累计到当前时刻，硬中断时间。表示内核调用硬中断处理程序
softirq（80465）	从系统启动开始累计到当前时刻，软中断时间。表示内核调用软中断处理程序
stealstolen（0）	在虚拟机环境下运行其他操作系统所花费的时间。窃取 CPU 使用率（steal）表示被其他虚拟机占用的 CPU 时间百分比
guest（0）	运行在访客模式下所花费的时间。客户 CPU 使用率（guest）表示运行客户虚拟机的 CPU 时间百分比
guest_nice（0）	运行在访客模式下，nice值为负的进程所占用的CPU时间

nice值解释：

每一个进程都有一个 PRI 和 NI 值，可通过 ps -ef -l 命令或者top命令查看。PRI 还是比较好理解的，即进程的优先级，或者通俗点说就是程序被 CPU 执行的先后顺序，此值越小进程的优先级别越高。那 NI 呢？就是我们所要说的 nice 值了，其表示进程可被执行的优先级的修正数值。如前面所说，PRI值越小越快被执行，那么加入 nice 值后，将会使得 PRI 变为：PRI(new)=PRI(old)+nice。这样，当nice值为负值的时候，那么该程序将会优先级值将变小，即其优先级会变高，则其越快被执行

• 获取CPU各状态当前时间下的累计值：

在/proc伪文件系统中会记录对应的时间累计值，这些总的累计值会存在/proc/stat文件中。

cat /proc/stat 可以观察这些数值

各进程的累计值各自存放在各自的目录文件下，/proc/进程号/stat

• CPU使用率计算原理：

在讲CPU使用率之前，我们来看看下面这个例子：
一台服务器
12:00开机后一直到12:30截止
cpu被使用在用户态 的时间一共是 8分钟
cpu被使用在内核态 的时间一共是 1.5分钟
cpu被使用在IO等待状态 的时间一共是 0.5分钟
cpu被使用在idle（空闲状态） 的时间一共是 20分钟
cpu被使用在其他几个状态的时间是 0分钟

(user(8mins) + sys(1.5mins) + iowait(0.5mins) + 0 + 0 + 0 + 0) / (30mins)
= 1 - ((idle(20mins) / (30mins))
= 30%

cpu的使用率  = （所有非空闲状态的cpu时间总和） / （所有状态cpu时间的总和）
           	=  1 - （（空闲状态cpu时间总和） / （所有状态cpu时间的总和））
（问题：按照上面的方法计算，只能算出cpu在30分钟内的总平均时间，精度太低没参考价值）

上面是从开机开始算的，由于前面我们提到过，jiffies 记录的是系统启动以来产生的节拍数，且jiffies单调递增，那上面cpu使用率的计算公式就要发生变化了，cpu使用率表示的是一定时间下CPU时间增量的变化率：

• • 采样两个足够短的时间间隔的 cpu 快照，分别为 t1,t2，其中 t1、t2 均包含(user、nice、system、idle、iowait、irq、softirq、stealstolen、 guest)9个元素;
  • 计算总的 cpu 时间：

• • • 把第一次的所有 cpu 使用情况求和，得到 total_t1;
    • 把第二次的所有 cpu 使用情况求和，得到 total_t2;
    • 这个时间间隔内的所有时间片，即 totalCpuTime = total_t2 - total_t1 ;

• • 计算空闲时间 idle：

• • • idle 对应第四列的数据，用第二次的 idle - 第一次的 idle 即可
    • idle = idle_t2 – idle_t1

• • 计算cpu使用率：

• • • cpuUsage = 100 * (1-(idle_t2 – idle_t1) / (total_t2 – total_t1))

• cpu时间累计递增观察

• • 我们取30min区间观察CPU0号核cpu idle状态时间数值，通过指标获取，我们可以看到，整体数值是单调递增的
  • node_cpu_seconds_total{ instance="192.168.1.190:9100", job="node_exporter", nodename="V6-node-exporter"}

• • 观察0号CPU核的user状态时间数值，也是递增的

• • • 

• 使用promethues获取各种指标，计算CPU使用率

• • 获取CPU时间：

• • • 获取各核cpu总时间累计：

• • • • node_cpu_seconds_total{ instance="192.168.1.190:9100", job="node_exporter", nodename="V6-node-exporter"}

      • 

• • • 获取各核cpu1分钟的时间增量：

• • • • increase(node_cpu_seconds_total{ instance="192.168.1.190:9100", job="node_exporter", nodename="V6-node-exporter"}[1m])

• • • 获取各核cpu时间在1分钟内的增量总和：

• • • • sum(increase(node_cpu_seconds_total{ instance="192.168.1.190:9100", job="node_exporter", nodename="V6-node-exporter"}[1m]))

      • 

• • 获取cpu空闲状态时间：

• • • 获取各核cpu空闲状态idle时间累计：

• • • • node_cpu_seconds_total{ mode="idle",instance="192.168.1.190:9100", job="node_exporter", nodename="V6-node-exporter"}

      • 

• • • 获取各核cpu空闲状态时间 在1分钟的增量：

• • • • increase(node_cpu_seconds_total{ mode="idle",instance="192.168.1.190:9100", job="node_exporter", nodename="V6-node-exporter"}[1m])

• • • 获取cpu各核空闲状态时间在1分钟内的增量总和：

• • • • sum(increase(node_cpu_seconds_total{ mode="idle",instance="192.168.1.190:9100", job="node_exporter", nodename="V6-node-exporter"}[1m])

      • 

• • 计算系统PU使用率（1分钟增量变化情况）：
• • • CPU使用率计算公式：

• • • • cpuUsage = 100 * (1-(idle_t2 – idle_t1) / (total_t2 – total_t1))

• • • 将变量套进公式：

• • • • 100 * (1 - ((sum(increase(node_cpu_seconds_total{ mode="idle",instance="192.168.1.190:9100", job="node_exporter", nodename="V6-node-exporter"}[1m]))) / (sum(increase(node_cpu_seconds_total{ instance="192.168.1.190:9100", job="node_exporter", nodename="V6-node-exporter"}[1m])))))

      • 

四、CPU平均活跃进程数详解（平均负载）（Load Average）

• 平均负载概念：

• • 平均负载又可以理解成：单位时间的“平均活跃进程数”。这里的活跃进程，主要指可运行状态的进程和不可中断状态的进程。它和CPU使用率没有直接的关系。

• 可运行状态和不可中断状态进程：

• • 可运行状态进程

• • • 可运行状态的进程是指正在使用CPU或者等待CPU的进程，也就是我们通过ps命令能查看到的Running或者Runnable状态的进程。

• • 不可中断状态进程

• • • 不可中断进程是指正处于内核关键的进程，这些是不能打断的。也就是我们通过ps命令能查看到的D状态的进程比如，为了保证磁盘数据一致性，回写磁盘的进程就不能打断。不可中断状态是系统对硬件设备的一种保护机制。

。。。。。。。。

五、CPU上下文切换

六、CPU缓存命中率

七、CPU运行队列

。。。。。。。。未完待续。。。。。。。。