Linux 常见性能指标 -- CPU

本系列记录操作系统常见性能指标，写这个主要是记录也是回顾，笔记很长，拆分了几个部分，本篇记录CPU 的性能指标

CPU是计算机中最常见的概念，但是如何衡量CPU是否存在性能瓶颈，需要看哪些指标，可能多少都能说出来，CPU负载高、CPU使用率高、CPU缓存命中率低等等。具体怎样算高，哪些因素影响，如何排查呢？这里简单记录一下一些概念，希望帮助理解。

一、CPU负载

平均负载

平均负载是指单位时间内，系统处于可运行状态和不可中断状态的平均进程数，也就是平均活跃进程数，包括了正在使用 CPU 的进程，还包括等待 CPU 和等待 I/O 的进程

  

平均负载 = (正在运行的进程数 + 等待运行的进程数) / CPU内核数

1）可运行状态的进程

是指正在使用 CPU 或者正在等待 CPU 的进程

ps 命令看到的，处于 R 状态（Running 或 Runnable）的进程

2）不可中断状态的进程

正处于内核态关键流程中的进程，并且这些流程是不可打断的

ps 命令中看到的 D 状态（Uninterruptible Sleep，也称为 Disk Sleep）的进程

3）top 中看到的负载均衡

top 看到的load average: 0.02, 0.10, 0.05 分别是表示1分钟，5分钟，15分钟的平均负载

如果一个单核CPU平均负载为1，则表示该CPU正在运行一个进程60秒，或者多个进程正在分时运行，使得CPU使用率保持在100%。

但是对于多核CPU，平均负载超过1就表示在满负荷运行了。

看看下文理解平均负载

Understanding Linux CPU Load - when should you be worried? | Scout APM Blog

平均负载高场景

CPU 密集型进程，使用大量 CPU 会导致平均负载升高；

I/O 密集型进程，等待 I/O 也会导致平均负载升高，但 CPU 使用率不一定很高；

大量等待 CPU 的进程调度也会导致平均负载升高，此时的 CPU 使用率也会比较高。

分析步骤

分析思路

1. 平均负载高有可能是 CPU 密集型进程导致的；
2. 平均负载高并不一定代表 CPU 使用率高，还有可能是 I/O 更繁忙了；
3. 当发现负载高的时候，你可以使用 mpstat、pidstat 等工具，辅助分析负载的来源

分析步骤

1. top 命令查看平均负载是否有异常，看看平均负载是否在减小（1分钟 5分钟 15分钟）
2. pidstat 5 5可以直观看到进程的用户态和系统态CPU使用情况
3. mpstat 5 5查看是否是IO等待或者中断导致的负载高

注意：

sysstat 11.5.5 以上版本才有%wait字段

sysstat 软件包含了mpstat/iostat/pidstat等软件，而且会通过记录系统的CPU性能数据

默认在/var/log/sa 目录下，可以通过sar -f sa文件查看记录的数据

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二、上下文切换

上下文：CPU的任何任务的执行，必须依赖CPU寄存器（CPU 内置的容量小、但速度极快的内存）以及程序计数器（用来存储 CPU 正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置）

上下文切换类型

上下文切换有三类，进程、线程的上下文切换，以及中断上下文切换

1）进程上下文切换

进程从用户态进入内核态时，需要系统调用来完成

系统调用的CPU上下文切换过程（不切换进程）：

1. CPU 寄存器里原来用户态的指令位置，需要先保存起来
2. 接着，为了执行内核态代码，CPU 寄存器需要更新为内核态指令的新位置
3. 最后才是跳转到内核态运行内核任务
4. 系统调用结束后，CPU 寄存器需要恢复原来保存的用户态，再切换到用户空间，继续运行进程

进程上下文切换描述：

• 进程是由内核来管理和调度的，进程的切换只能发生在内核态
• 进程的上下文不仅包括了虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源，还包括了内核堆栈、寄存器等内核空间的状态
• 所以，进程上下文切换包含用户态和内核态的资源

常见进程切换场景：

• CPU时间片用完，进程挂起，切换等待CPU的进程
• 进程在系统资源不足时，等待资源满足后才运行，进程挂起，系统调度其他进程
• 进程通过sleep函数自主挂起，系统重新调度进程
• 有优先级更高的进程需要运行时，当前进程挂起，运行高优先级进程
• 发生硬件中断时，CPU上进程挂起，转而执行内核中的中断服务程序

简单来说就是用完了CPU时间片，或者被抢占了的时候会进程上下文切换

2）线程上下文切换

常见线程上下文切换场景：

• 前后两个线程属于不同进程，资源不共享，此时与进程上下文切换一样
• 前后两个线程属于相同进程，虚拟内存和全局变量是共享的，所以只需要切换线程私有的数据、寄存器等不共享的数据

3）中断上下文切换

产生原因

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，转而调用中断处理程序，响应设备事件

消耗资源

• 由于中断上下文不涉及进程的用户态，所以中断过程打断了用户态的进程，也不需要保存和恢复这个进程的虚拟内存、全局变量等用户态资源
• 中断上下文，其实只包括内核态中断服务程序执行所必需的状态，包括 CPU 寄存器、内核堆栈、硬件中断参数等

中断记录

/proc/interrupts 这个只读文件中读取中断使用情况

中断处理两个阶段

1. 上半部直接处理硬件请求，也就是我们常说的硬中断，特点是快速执行；
2. 而下半部则是由内核触发，也就是我们常说的软中断，特点是延迟执行。

例如：

网卡接收到数据包后，通过硬件中断的方式，通知内核有新的数据到了，内核调用中断处理程序响应；

上半部就是将网卡数据读入内存，更新寄存器状态，再发送软中断信号，通知下半部处理；

下半部收到软中断信号唤醒后，从内存中找到网络数据，根据网络协议栈，对数据进行逐层解析处理，直到发送给应用。

上下文切换分析方法

分析思路

• 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，CPU 被中断处理程序占用，需要查看 /proc/interrupts 文件来分析具体的中断类型

分析步骤

pidstat -w 查看系统的上下文切换情况，依据切换类型分析大致原因

cswch(voluntary context switches)自愿上下文切换：

描述：指进程无法获取所需资源，导致的上下文切换

场景：I/O、内存等系统资源不足时，就会发生自愿上下文切换

nvcswch(non voluntary context switches)非自愿上下文切换：

描述：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

场景：大量进程都在争抢 CPU 时，就容易发生非自愿上下文切换

注意：pidstat 默认显示进程的指标数据，加上 -t 参数后，才会输出线程的指标

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三、CPU使用率

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

我们有时候能在 top 命令的结果里面能看到超过100%的情况，这是因为这个进程占用了多个CPU

top 通过读取 /proc/stat 文件计算CPU利用率，/proc/stat  文件包含各种系统统计信息，包括 CPU 利用率数据。

常用分析思路

mpstat 5 5

1. 用户 CPU 和 Nice CPU 高，说明用户态进程占用了较多的 CPU，所以应该着重排查进程的性能问题
2. 系统 CPU 高，说明内核态占用了较多的 CPU，所以应该着重排查内核线程或者系统调用的性能问题
3. I/O 等待 CPU 高，说明等待 I/O 的时间比较长，所以应该着重排查系统存储 I/O 问题
4. 软中断和硬中断高，说明软中断或硬中断的处理程序占用较多的 CPU，着重排查内核中的中断服务程序
5. 碰到常规问题无法解释的 CPU 使用率情况时，首先要想到有可能是短时应用导致的问题
   1. 应用里直接调用了其他二进制程序，这些程序通常运行时间比较短，通过 top 等工具也不容易发现
   2. 应用本身在不停地崩溃重启，而启动过程的资源初始化，很可能会占用相当多的 CPU

常用分析软件

top

默认使用 3 秒时间间隔 \ 默认显示所有CPU的使用率平均值 \ 按1切换到每个CPU的使用率

状态

• R 是 Running 或 Runnable 的缩写，表示进程在 CPU 的就绪队列中，正在运行或者正在等待运行
• D 是 Disk Sleep 的缩写，也就是不可中断状态睡眠，一般表示进程正在跟硬件交互，并且交互过程不允许被其他进程或中断打断
• Z 是 Zombie 的缩写，进程实际上已经结束了，但父进程还没有回收它的资源（比如进程的描述符、PID 等）
• S 是 Interruptible Sleep 的缩写，也就是可中断状态睡眠，表示进程因为等待某个事件而被系统挂起。当进程等待的事件发生时，它会被唤醒并进入 R 状态
• I 是 Idle 的缩写，也就是空闲状态，用在不可中断睡眠的内核线程上。
  • 对某些内核线程来说，它们有可能实际上并没有任何负载，用 Idle 正是为了区分这种情况
  • D 状态的进程会导致平均负载升高， I 状态的进程却不会
• T 或者 t，也就是 Stopped 或 Traced 的缩写，表示进程处于暂停或者跟踪状态
• X 是 Dead 的缩写，表示进程已经消亡，所以你不会在 top 或者 ps 命令中看到它

处理

1. 正常情况下，不可中断状态在很短时间内就会结束，如果长时间的不可中断进程出现，考虑IO或硬件问题
2. 僵尸进程是父进程未正常回收子进程资源，导致的，如果大量且长时间存在，需要及时处理
   1. 查看子进程结束的处理是否正确，比如有没有调用 wait() 或 waitpid()，抑或是，有没有注册 SIGCHLD 信号的处理函数
   2. pstree -aps 僵尸进程pid 找到父进程
      1. a Show command line arguments.
      2. p Show PIDs.
      3. s Show parent processes of the specified process.

僵尸进程持续的时间都比较短，在父进程回收它的资源后就会消亡，或者在父进程退出后，由 init 进程回收后也会消亡；

crond 的定时任务在执行时会大量标准输出时，可能会引起sendmail 的僵尸进程，不会释放，需要重定向标准输出；

ps

使用的是进程的整个生命周期(/proc/stat) 

ps -ef    standard syntax    优点看到父进程
ps aux    BSD syntax         优点看状态和使用情况

perf

perf 是Linux 性能分析工具，可以查看实时的性能数据以及导出和导入性能数据，目前不太熟悉

实例

perf top

实时显示占用 CPU 时钟最多的函数或者指令，因此可以用来查找热点函数(需要累积一定量的事件)

• Overhead ，是该符号的性能事件在所有采样中的比例，用百分比来表示
• Shared ，是该函数或指令所在的动态共享对象（Dynamic Shared Object）
• Object ，是动态共享对象的类型
  • [.] 表示用户空间的可执行程序、或者动态链接库
  • [k] 则表示内核空间
• Symbol 是符号名，也就是函数名，函数名未知时，用十六进制的地址来表示

perf top -e cycles:k            # 查看内核空间CPU消耗最多的函数
perf top -e cycles:u            # 查看用户空间CPU消耗最多的函数

perf top -g -p pid 

-g开启调用关系分析，-p指定进程号

perf record -g -p  

记录相关信息到perf.data

perf report perf.data

加载文件记录的信息，通常用于解决容器内与宿主机依赖不一致的情况、

dstat

dstat 它吸收了 vmstat、iostat、ifstat 等几种工具的优点，可以同时观察系统的 CPU、磁盘 I/O、网络以及内存使用情况，这个软件来自 pcp-system-tools工具包

dstat --list     # 查看所有可用的插件
dstat            # 默认 -cdngy 参数，可以查看cpu 磁盘IO 网络IO 上下文切换
dstat -at        # 在默认基础上加时间打印

mpstat

mpstat 5 5

压测软件

ab 

Apache HTTP服务器基准测试工具，用来测试网站性能，如下是一次请求10个，共计100个请求

ab -c 10 -n 100 http://localhost:8080/

注意这个得带上末尾的路径，光写端口不行，不要用来测试正常运行的网站！！！

四、CPU缓存命中率

CPU缓存命中率是指CPU在执行操作时，所需数据已经在缓存中的比例。缓存命中率的高低直接影响到CPU的性能表现。

这节内容来自AI生成

理解缓存命中率

• 缓存命中：当CPU需要读取或写入数据时，如果这些数据已经存储在CPU缓存中，则称为缓存命中，此时CPU可以直接从缓存中快速读取或写入数据。
• 缓存不命中：如果CPU需要的数据不在缓存中，则需要从主内存（RAM）中读取，这个过程比从缓存中读取要慢得多，这种情况称为缓存不命中。

缓存命中率的影响

• 性能提升：缓存命中可以显著减少CPU访问主内存的次数，从而提高数据访问速度，提升系统性能。
• 性能下降：缓存不命中会导致CPU等待从主内存读取数据，增加访问延迟，降低系统性能。

分析和排查方法

1）使用Perf工具：可以使用Perf工具来监测CPU缓存的命中率

• 这将显示LLC（最后一级缓存）的读取、不命中、写入和写入不命中的统计信息。

perf stat -e LLC-loads,LLC-load-misses,LLC-stores,LLC-store-misses

实测：虚拟机会返回不支持，物理机才有效；按Ctrl+c 停止采集；

2）优化代码和数据结构：

• 紧凑化数据结构：减少数据结构的内存占用，以便更多的数据可以被缓存。
• 软件预取数据：提前将可能需要的数据加载到缓存中，以增加缓存命中率。
• 去除伪共享缓存：避免不同线程或进程的数据块共享缓存行，减少缓存不命中。

3）查看CPU缓存配置：了解CPU缓存的层次结构和大小，可以帮助分析缓存不命中的原因。

• 可以使用lscpu命令来查看CPU的详细信息，包括缓存的大小和层次结构
• 使用cat /proc/cpuinfo命令也可以获取到CPU的相关信息 lscpu | grep -E 'cache|CPU'
• 工具如dmidecode可以提供更详细的硬件信息，包括CPU缓存配置（没看懂）

4）代码分析：通过性能分析工具（如gprof、Valgrind等）来分析代码，找出频繁导致缓存不命中的代码段。

5）系统监控：使用系统监控工具（如htop、vmstat等）来监控CPU和内存的使用情况，辅助分析缓存命中率。