衡量cpu使用情况 - 占用率和负载

说明

• 在对程序进行性能优化过程中，我体会到：正确的衡量cpu的使用情况（各种指标），是进行代码优化的前提条件；CPU是计算机的大脑，所有代码都是由CPU运行，不管是任何因素导致的性能问题，即使是资源不足（例如：内存不足，io较慢等）最终都能在CPU运行指标上得到体现，所以我们通过衡量cpu的各种指标即可对程序性能进行解释。

表现

• 程序是否卡顿，通常由其外在表现体现，例如：对于GUI程序而言，用户操作时界面是否卡顿，操作是否有延时，对于非GUI程序而言，程序是否反应及时，这些都间接的体现了CPU使用情况；程序的外在表现体现的卡顿都是个人的主观感受，例如：GUI程序卡顿现象是操作延时过大给人造成的卡顿感觉，每个人的容忍度可能也不一样。
• 我们通常使用运行时长来具体的描述程序性能， 程序的外在表现也都能通过指令运行时长来解释，程序的运行时长体现了当时CPU的使用情况，是各种指标的综合结果。
• 卡顿是指用户长时间得不到响应，体现在时长上。
• 影响程序运行时长和体现cpu使用情况的两个重要CPU指标：

1. cpu使用率
2. cpu负载
3. 系统空闲时间

占用率

• cpu 使用率可以通过top命令观察，按百分比显示，如下：

xxx@midcompser:~$ top
top - 12:17:03 up 223 days, 23:38, 28 users,  load average: 0.44, 1.11, 4.11
Tasks: 1349 total,   1 running, 1250 sleeping,  96 stopped,   2 zombie
%Cpu(s):  1.1 us,  0.8 sy,  3.2 ni, 94.6 id,  0.4 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
KiB Mem:  13189618+total, 10773692+used, 24159264 free, 31246788 buffers
KiB Swap: 12695296+total,  8214784 used, 11873817+free. 64272436 cached Mem

   PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU %MEM     TIME+ COMMAND                                                                                                                                       
 54267 xxx       20   0   26040   3804   2356 R  16.5  0.0   0:00.05 top                                                                                                                                           
     1 root      20   0   33648   2336   1140 S   0.0  0.0   0:48.69 init                                                                                                                                          
     2 root      20   0       0      0      0 S   0.0  0.0   0:06.13 kthreadd                                                                                                                                      
     3 root      20   0       0      0      0 S   0.0  0.0  57:30.25 ksoftirqd/0         
* top 可以显示每个进程的CPU占用，以及第三行中的id表示总体剩余cpu资源。

1. 占用率的理解

• cpu 使用率并不是大家想象中的瞬时使用率，是一定时间内cpu使用时间与总时间的百分比，例如：top每隔1s统计一次cpu使用率，那么cpu 使用率就是这1s内，cpu非空闲时间与总时间的比例。
• 每个进程的CPU使用率也是通过该方法计算出来的，如果某个进程的cpu使用率低，也可能并不是因为该进程不怎么占用cpu，也可能是优先级不高，没分到多少运行时间。

2. 进程一直在运行，为什么CPU还会有空闲时间

• linux下cpu调度是以进程（线程是轻量级进程，在调度时进程和线程是一样的）为单位，每个cpu核都有一个进程执行队列，当正在运行和可运行队列为空时，cpu就空闲了，队列为空是因为进程做sleep操作或者阻塞操作导致状态变为不可运行。
• cpu使用率很少达到100%，实际上我们并没有充分使用cpu，这需要依靠系统配置和优秀的程序设计实现。

负载

查看

• 可通过top命令或者/proc/loadavg或者uptime命令来查看cpu负载信息，数据是一样的，如下：

* top 信息中的第三行
Mem: 20656K used, 2676K free, 0K shrd, 5K buff, 882024K cached
CPU: 32.0% usr 28.0% sys  0.0% nic 40.0% idle  0.0% io  0.0% irq  0.0% sirq
Load average: 14.67 14.52 14.39 1/79 1203
  PID  PPID USER     STAT   VSZ %VSZ CPU %CPU COMMAND
  459     1 root     S    48400207.3   0 32.0 cardv -o -N 1
* cat /proc/loadavg
14.48 14.50 14.40 1/80 1380
* uptime
21:01:20 up  1:15,  0 users,  load average: 14.65, 14.54, 14.42

• 各项数据的含义：前三个数字是1、5、15分钟内的平均进程数，后面两个，第一个的分子是正在运行的进程数，分母是进程总数，另一个是最近运行的进程ID号。

负载理解

• 既然cpu使用率都没到100%，说明cpu还有空闲，为什么程序会卡顿？这就要说到负载。
• 负载是指cpu核正在执行和可执行的进程队列中的进程数量与cpu核的最大可执行进程数的比例；例如：一个cpu核1s钟可以执行100个进程，如果这1s内，正在执行和等待执行的进程数量是120，负载就为1.2。
• 如果运行的进程数量多了，也会导致cpu的使用率增长，因为出现cpu空闲的几率就小了。
• cpu使用率不高但是程序卡顿是因为，等待运行的进程数量过多，cpu负载较高，卡顿的进程需要等一段时间才能重新运行，等待时间长了，响应时间长了，给人的感觉就是卡顿了。

系统空闲时间

• 可通过/proc/uptime查看系统空闲时间，如下：

cat /proc/uptime 
4666.15 1959.34

• 数据含义：

1. 第一列表示系统启动到现在的时间（以秒为单位）
2. 第二列表示系统空闲的时间（以秒为单位）

• 注意：在多核CPU以及SMP系统里，系统空闲的时间有时会是系统运行时间的几倍，这是因为系统空闲时间是多个核心空闲时间的总值。
• 指标作用：系统空闲时长类似于CPU占用率，区别是系统空闲时长是总体的累加数据，而CPU占用率是单位时间内的数据，体现了CPU是否被充分使用，系统空闲时长较长说明CPU未被充分利用或者任务较少。

现实情况

• 在现实场景中CPU的各种指标（例如：占用率和负载等）还和cpu核心的开启关闭以及cpu频率的降低增长有关，很多CPU都支持动态调节，在负载低的时候关闭cpu核以及降低cpu频率，例如联发科的CPU, 甚至会出现一核工作，7核围观的现象，因此衡量cpu的各种指标先要确认下CPU硬件资源。

查看cpu频率信息

• 某些CPU可以通过sys系统查看cpu频率信息，例如：gm8136s 平台上通过以下命令查看。

* 最大频率
[root]# cat /sys/bus/cpu/devices/cpu0/cpufreq/cpuinfo_max_freq
712
* 当前频率
[root]# cat /sys/bus/cpu/devices/cpu0/cpufreq/cpuinfo_cur_freq
712

应用

1. 性能监控

• 有些软件产品，会加上性能监控模块，来做些资源释放或者异常规避处理；例如：之前公司在嵌入式设备上实现了一个监控模块，CPU使用过高的情况下，自动重启设备，以避免糟糕的使用体验，恢复正常使用。
• 注意：这里需要监控的是负载而不是占用率，因为占用率是过去，而负载是将来，过去的使用情况已经没有意义了，知道将来的cpu使用情况才能做一些规避和调整。

2. 性能优化

• 程序性能问题导致体验不好。

性能优化个人经验

1. CPU占用率不高，但是负载超过合理值

• 说明CPU大部分时间都浪费在等待过程中，系统中存在过多的进程，CPU资源竞争激烈，并且大部分进程没有充分利用CPU，存在过多的等待操作（例如：延时sleep，等待io等），导致其它真正需要CPU资源的进程，得不到调度。

2. CPU占用率高，负载低

• 这才是理想状态。