CPU性能调优

 

CPU 性能指标

CPU 使用率

• 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。
• 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，上下文切换过多。
• 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。
• 软中断和硬中断的 CPU 使用率，分别表示内核调用软中断处理程序、硬中断处理程序的时间百分比。它们的使用率高，通常说明系统发生了大量的中断。
• 除了上面这些，还有在虚拟化环境中会用到的窃取 CPU 使用率（steal）和客户 CPU 使用率（guest），分别表示被其他虚拟机占用的 CPU 时间百分比，和运行客户虚拟机的 CPU 时间百分比。

平均负载（Load Average）

平均负载是指单位时间内，处于可运行状态和不可中断状态的进程数。所以，它不仅包括了正在使用 CPU 的进程，还包括等待 CPU 和等待 I/O 的进程。

它反应了系统的整体负载情况，主要包括三个数值，分别指过去 1 分钟、过去 5 分钟和过去 15 分钟的平均负载，可以反应系统的负载趋势。

理想情况下，平均负载等于逻辑 CPU 个数，这表示每个 CPU 都恰好被充分利用。

如果平均负载大于逻辑 CPU 个数，就表示负载比较重了，而一般建议当平均负载高于逻辑 CPU 数量 70% 的时候，你就应该分析排查负载高的问题了

进程上下文切换

无法获取资源而导致的自愿上下文切换；

被系统强制调度导致的非自愿上下文切换。

上下文切换，本身是保证 Linux 正常运行的一项核心功能。但过多的上下文切换，会将原本运行进程的 CPU 时间，消耗在寄存器、内核栈以及虚拟内存等数据的保存和恢复上，缩短进程真正运行的时间，成为性能瓶颈。

CPU 缓存的命中率

CPU 缓存的速度介于 CPU 和内存之间，缓存的是热点的内存数据。根据不断增长的热点数据，这些缓存按照大小不同分为 L1、L2、L3 等三级缓存，其中 L1 和 L2 常用在单核中， L3 则用在多核中。从 L1 到 L3，三级缓存的大小依次增大，相应的，性能依次降低（当然比内存还是好得多）。而它们的命中率，衡量的是 CPU 缓存的复用情况，命中率越高，则表示性能越好。

 

 工具列表

第一个维度，从 CPU 的性能指标出发。也就是说，当你要查看某个性能指标时，要清楚知道哪些工具可以做到。

第二个维度，从工具出发。也就是当你已经安装了某个工具后，要知道这个工具能提供哪些指标。

 

 思路和方法

思路

整个排查方向应该是系统---》进程---》进程的系统调用或者应用级代码。

这张图里，列出了 top、vmstat 和 pidstat 分别提供的重要的 CPU 指标，并用虚线表示关联关系，对应出了性能分析下一步的方向。通过这张图你可以发现，这三个命令，几乎包含了所有重要的 CPU 性能指标，比如：

• 从 top 的输出可以得到各种 CPU 使用率以及僵尸进程和平均负载等信息。
• 从 vmstat 的输出可以得到上下文切换次数、中断次数、运行状态（正在运行或者等待运行的进程数）和不可中断状态的进程数。
• 从 pidstat 的输出可以得到进程的用户 CPU 使用率、系统 CPU 使用率、以及自愿上下文切换和非自愿上下文切换情况。

另外，这三个工具输出的很多指标是相互关联的，所以，我也用虚线表示了它们的关联关系，举几个例子你可能会更容易理解。

常用观测方法

工具法检查CPU：

• uptime：检查负载平均数以确认CPU负载是随时间上升还是下降。负载平均数超过了CPU数量通常代表CPU饱和。
• vmstat：每秒运行vmstat，然后检查空闲列，看看还有多少余量。少于10%可能是一个问题。
• mpstat：检查单个热点（繁忙）CPU，挑出一个可能的线程扩展性问题。
• top/prstat ： 看看哪个进程和用户是CPU消耗大户。
• pidstat /prstat： 把CPU消耗大户分解成用户和系统时间。
• perf / dtrace / stap / oprofile ： 从用户时间或者内核时间的角度剖析CPU使用的堆栈跟踪，以了解为什么使用这么多CPU。
• perf / cpustat : 测量CPI。

USE方法检查CPU

USE方法可以在性能调查的早期，在更深入和更耗时的其他策略之前，用来发现所有组件内的瓶颈和错误。

对于每个CPU，检查一下内容：

• 使用率：CPU繁忙的时间（未在空闲线程中）
• 饱和度：可运行线程排队等待CPU的程度
• 错误：CPU错误，包括可改正错误

错误可以优先检查，因为检查通常较快，并且最容易理解。有些处理器和操作系统可以感知到可以改正错误的上升（错误更正码，ECC），并在不可改正错误造成CPU失效前关闭一个CPU作为警示。检查错误包括检查是否所有CPU都在线。

优化方向

怎么评估性能优化的效果？

为了评估性能优化效果，我们需要对系统的性能指标进行量化，并且要分别测试出优化前、后的性能指标，用前后指标的变化来对比呈现效果。我把这个方法叫做性能评估“三步走”。

• 确定性能的量化指标。
• 测试优化前的性能指标。
• 测试优化后的性能指标。

　　先看第一步，性能的量化指标有很多，比如 CPU 使用率、应用程序的吞吐量、客户端请求的延迟等，都可以评估性能。那我们应该选择什么指标来评估呢？我的建议是不要局限在单一维度的指标上，你至少要从应用程序和系统资源这两个维度，分别选择不同的指标。比如，以 Web 应用为例：

• 应用程序的维度，我们可以用吞吐量和请求延迟来评估应用程序的性能。
• 系统资源的维度，我们可以用 CPU 使用率来评估系统的 CPU 使用情况。

之所以从这两个不同维度选择指标，主要是因为应用程序和系统资源这两者间相辅相成的关系。

　　接下来两步，还是以刚刚的 Web 应用为例，对应上面提到的几个指标，我们可以选择 ab 等工具，测试 Web 应用的并发请求数和响应延迟。而测试的同时，还可以用 vmstat、pidstat 等性能工具，观察系统和进程的 CPU 使用率。这样，我们就同时获得了应用程序和系统资源这两个维度的指标数值。

注意：

第一，要避免性能测试工具干扰应用程序的性能。通常，对 Web 应用来说，性能测试工具跟目标应用程序要在不同的机器上运行。

第二，避免外部环境的变化影响性能指标的评估。这要求优化前、后的应用程序，都运行在相同配置的机器上，并且它们的外部依赖也要完全一致。

多个性能问题同时存在，要怎么选择？

性能测试的领域，流传很广的一个说法是“二八原则”，也就是说 80% 的问题都是由 20% 的代码导致的。只要找出这 20% 的位置，你就可以优化 80% 的性能。所以，我想表达的是，并不是所有的性能问题都值得优化。

第一，如果发现是系统资源达到了瓶颈，比如 CPU 使用率达到了 100%，那么首先优化的一定是系统资源使用问题。完成系统资源瓶颈的优化后，我们才要考虑其他问题。

第二，针对不同类型的指标，首先去优化那些由瓶颈导致的，性能指标变化幅度最大的问题。比如产生瓶颈后，用户 CPU 使用率升高了 10%，而系统 CPU 使用率却升高了 50%，这个时候就应该首先优化系统 CPU 的使用。

CPU 优化

清楚了性能优化最基本的三个问题后，我们接下来从应用程序和系统的角度，分别来看看如何才能降低 CPU 使用率，提高 CPU 的并行处理能力。

应用程序优化

首先，从应用程序的角度来说，降低 CPU 使用率的最好方法当然是，排除所有不必要的工作，只保留最核心的逻辑。比如减少循环的层次、减少递归、减少动态内存分配等等。

除此之外，应用程序的性能优化也包括很多种方法，我在这里列出了最常见的几种，你可以记下来。

编译器优化：很多编译器都会提供优化选项，适当开启它们，在编译阶段你就可以获得编译器的帮助，来提升性能。比如， gcc 就提供了优化选项 -O2，开启后会自动对应用程序的代码进行优化。

算法优化：使用复杂度更低的算法，可以显著加快处理速度。比如，在数据比较大的情况下，可以用 O(nlogn) 的排序算法（如快排、归并排序等），代替 O(n^2) 的排序算法（如冒泡、插入排序等）。

异步处理：使用异步处理，可以避免程序因为等待某个资源而一直阻塞，从而提升程序的并发处理能力。比如，把轮询替换为事件通知，就可以避免轮询耗费 CPU 的问题。

多线程代替多进程：前面讲过，相对于进程的上下文切换，线程的上下文切换并不切换进程地址空间，因此可以降低上下文切换的成本。

善用缓存：经常访问的数据或者计算过程中的步骤，可以放到内存中缓存起来，这样在下次用时就能直接从内存中获取，加快程序的处理速度。

系统优化

从系统的角度来说，优化 CPU 的运行，一方面要充分利用 CPU 缓存的本地性，加速缓存访问；另一方面，就是要控制进程的 CPU 使用情况，减少进程间的相互影响。

具体来说，系统层面的 CPU 优化方法也有不少，这里我同样列举了最常见的一些方法，方便你记忆和使用。

CPU 绑定：把进程绑定到一个或者多个 CPU 上，可以提高 CPU 缓存的命中率，减少跨 CPU 调度带来的上下文切换问题。

CPU 独占：跟 CPU 绑定类似，进一步将 CPU 分组，并通过 CPU 亲和性机制为其分配进程。这样，这些 CPU 就由指定的进程独占，换句话说，不允许其他进程再来使用这些 CPU。

优先级调整：使用 nice 调整进程的优先级，正值调低优先级，负值调高优先级。优先级的数值含义前面我们提到过，忘了的话及时复习一下。在这里，适当降低非核心应用的优先级，增高核心应用的优先级，可以确保核心应用得到优先处理。

为进程设置资源限制：使用 Linux cgroups 来设置进程的 CPU 使用上限，可以防止由于某个应用自身的问题，而耗尽系统资源。

NUMA（Non-Uniform Memory Access）优化：支持 NUMA 的处理器会被划分为多个 node，每个 node 都有自己的本地内存空间。NUMA 优化，其实就是让 CPU 尽可能只访问本地内存。

中断负载均衡：无论是软中断还是硬中断，它们的中断处理程序都可能会耗费大量的 CPU。开启 irqbalance 服务或者配置 smp_affinity，就可以把中断处理过程自动负载均衡到多个 CPU 上。

最后千万避免过早优化

千万避免过早优化

因为，一方面，优化会带来复杂性的提升，降低可维护性；

另一方面，需求不是一成不变的。针对当前情况进行的优化，很可能并不适应快速变化的新需求。这样，在新需求出现时，这些复杂的优化，反而可能阻碍新功能的开发。

所以，性能优化最好是逐步完善，动态进行，不追求一步到位，而要首先保证能满足当前的性能要求。当发现性能不满足要求或者出现性能瓶颈时，再根据性能评估的结果，选择最重要的性能问题进行优化。