性能优化-CPU篇
1.平均负载(Load Average)
$ uptime 02:34:03 up 2 days, 20:14, 1 user, load average: 0.63, 0.83, 0.88
02:34:03 //当前时间 up 2 days, 20:14 //系统运行时间 1 user //正在登录用户数
0.63,0.83,0.88 //过去1分钟,5分钟,15分钟的平均负载
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，它和 CPU 使用率并没有直接关系
2.CPU上下文切换
Linux是一个多任务操作系统,支持远大于CPU数量的人物同时运行,当然,这些任务实际并不是真的在真的同时运行,而是因为系统在很短的时间内,将CPU轮流分配给她们,造成多任务同时运行的错觉.
而每个任务运行前,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（Program Counter，PC）
CPU 寄存器，是 CPU 内置的容量小、但速度极快的内存。而程序计数器，则是用来存储 CPU 正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置。它们都是 CPU 在运行任何任务前，必须的依赖环境，因此也被叫做 CPU 上下文.
CPU上下文切换根据任务的不同,可以分为几个不同的场景:
- 进程上下文切换
- 线程上下文切换
- 中断上下文切换
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，分别对应着下图中， CPU 特权等级的 Ring 0 和 Ring 3
- 内核空间（Ring 0）具有最高权限，可以直接访问所有资源
- 用户空间（Ring 3）只能访问受限资源，不能直接访问内存等硬件设备，必须通过系统调用陷入到内核中，才能访问这些特权资源
而进程既可以在用户控件运行,又可以在内核控件中运行.进程在用户空间运行时,被称为进程的用户态,而在内核控件运行的时候,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，当我们查看文件内容时，就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
CPU 寄存器里原来用户态的指令位置，需要先保存起来。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。最后才是跳转到内核态运行内核任务。而系统调用结束后，CPU 寄存器需要恢复原来保存的用户态，然后再切换到用户空间，继续运行进程。所以，一次系统调用的过程，其实是发生了两次 CPU 上下文切换.而每次上下文切换都需要几十纳秒到数微秒的 CPU 时间
常见的进程上下文切换场景
- 进程执行完终止,CPU被释放,再从就绪队列里,拿一个新的进程来运行
- 为了保证所有进程可以得到公平调度，CPU 时间被划分为一段段的时间片，这些时间片再被轮流分配给各个进程。这样，当某个进程的时间片耗尽了，就会被系统挂起，切换到其它正在等待 CPU 的进程运行
- 进程在系统资源不足（比如内存不足）时，要等到资源满足后才可以运行，这个时候进程也会被挂起，并由系统调度其他进程运行
- 当进程通过睡眠函数 sleep 这样的方法将自己主动挂起时，自然也会重新调度
- 当有优先级更高的进程运行时，为了保证高优先级进程的运行，当前进程会被挂起，由高优先级进程来运行
- 生硬件中断时，CPU 上的进程会被中断挂起，转而执行内核中的中断服务程序
线程上下文切换
线程与进程最大的区别在于，线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位。说白了，所谓内核中的任务调度，实际上的调度对象是线程；而进程只是给线程提供了虚拟内存、全局变量等资源,所以线程和进程的切换,可以这样理解
- 当进程只有一个线程时，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
- 线程也有自己的私有数据，比如栈和寄存器等，这些在上下文切换时也是需要保存的
如果线程上下文切换,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一样,如果两个线程属于同一个进程,虚拟内存是共享的,切换时,虚拟内存这些资源就保持不动,只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据.
虽然同为上下文切换，但同进程内的线程切换，要比多进程间的切换消耗更少的资源，而这，也正是多线程代替多进程的一个优势。
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，转而调用中断处理程序，响应设备事件。而在打断其他进程时，就需要将进程当前的状态保存下来，这样在中断结束后，进程仍然可以从原来的状态恢复运行。跟进程上下文不同，中断上下文切换并不涉及到进程的用户态。所以，即便中断过程打断了一个正处在用户态的进程，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.
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与进程上下文切换同时发生。同样道理，由于中断会打断正常进程的调度和执行，所以大部分中断处理程序都短小精悍，以便尽可能快的执行结束。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，甚至严重降低系统的整体性能。所以，当你发现中断次数过多时，就需要注意去排查它是否会给你的系统带来严重的性能问题.
查看系统上下文切换情况
vmstat 5
# 每隔5秒输出1组数据 $ vmstat 5 procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu----- r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st 0 0 0 7005360 91564 818900 0 0 0 0 25 33 0 0 100 0 0
- cs（context switch）是每秒上下文切换的次数
- in（interrupt）则是每秒中断的次数
- r（Running or Runnable）是就绪队列的长度，也就是正在运行和等待 CPU 的进程数
- b（Blocked）则是处于不可中断睡眠状态的进程数
查看进程上下文切换
pidstat -w 5
# 每隔5秒输出1组数据 $ pidstat -w 5 Linux 4.15.0 (ubuntu) 09/23/18 _x86_64_ (2 CPU) 08:18:26 UID PID cswch/s nvcswch/s Command 08:18:31 0 1 0.20 0.00 systemd 08:18:31 0 8 5.40 0.00 rcu_sched ...
- cswch ，表示每秒自愿上下文切换（voluntary context switches）的次数,是指进程无法获取所需资源，导致的上下文切换。比如说， I/O、内存等系统资源不足时，就会发生自愿上下文切换
- nvcswch ，表示每秒非自愿上下文切换（non voluntary context switches）的次数,是指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。比如说，大量进程都在争抢 CPU 时，就容易发生非自愿上下文切换
查看线程上下文切换
pidstat -wt 1
# 每隔1秒输出一组数据（需要 Ctrl+C 才结束） # -wt 参数表示输出线程的上下文切换指标 $ pidstat -wt 1 08:14:05 UID TGID TID cswch/s nvcswch/s Command ... 08:14:05 0 10551 - 6.00 0.00 sysbench 08:14:05 0 - 10551 6.00 0.00 |__sysbench 08:14:05 0 - 10552 18911.00 103740.00 |__sysbench 08:14:05 0 - 10553 18915.00 100955.00 |__sysbench 08:14:05 0 - 10554 18827.00 103954.00 |__sysbench ...
查看系统中断情况
watch -d cat /proc/interrupts
# -d 参数表示高亮显示变化的区域 $ watch -d cat /proc/interrupts CPU0 CPU1 ... RES: 2450431 5279697 Rescheduling interrupts #重调度中断（RES） ...
上下文性能分析
如果系统的上下文切换次数比较稳定，那么从数百到一万以内，都应该算是正常的。但当上下文切换次数超过一万次，或者切换次数出现数量级的增长时，就很可能已经出现了性能问题,此时就要根据上下文切换的类型做具体分析.
- 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，说明 CPU 被中断处理程序占用，还需要通过查看 /proc/interrupts 文件来分析具体的中断类型。
3.cpu使用率
查看系统CPU使用率top,查看进程CPU使用率pidstat
CPU使用率常见指标
- user（通常缩写为 us），代表用户态 CPU 时间。注意，它不包括下面的 nice 时间，但包括了 guest 时间。
- nice（通常缩写为 ni），代表低优先级用户态 CPU 时间，也就是进程的 nice 值被调整为 1-19 之间时的 CPU 时间。这里注意，nice 可取值范围是 -20 到 19，数值越大，优先级反而越低。
- system（通常缩写为 sys），代表内核态 CPU 时间。
- idle（通常缩写为 id），代表空闲时间。注意，它不包括等待 I/O 的时间（iowait）。
- iowait（通常缩写为 wa），代表等待 I/O 的 CPU 时间。
- irq（通常缩写为 hi），代表处理硬中断的 CPU 时间。
- softirq（通常缩写为 si），代表处理软中断的 CPU 时间。
- steal（通常缩写为 st），代表当系统运行在虚拟机中的时候，被其他虚拟机占用的 CPU 时间。
- guest（通常缩写为 guest），代表通过虚拟化运行其他操作系统的时间，也就是运行虚拟机的 CPU 时间。
- guest_nice（通常缩写为 gnice），代表以低优先级运行虚拟机的时间。
分析CPU使用率过高
perf top
perf top -g -p 进程号
- -g 开启调用关系分析
- -p 指定需要分析的进程号
类似于 top，它能够实时显示占用 CPU 时钟最多的函数或者指令，因此可以用来查找热点函数，使用界面如下所示：
$ perf top Samples: 833 of event 'cpu-clock', Event count (approx.): 97742399
Overhead Shared Object Symbol 7.28% perf [.] 0x00000000001f78a4 4.72% [kernel] [k] vsnprintf 4.32% [kernel] [k] module_get_kallsym 3.65% [kernel] [k] _raw_spin_unlock_irqrestore ...
输出结果中，第一行包含三个数据，分别是采样数（Samples）、事件类型（event）和事件总数量（Event count）。比如这个例子中，perf 总共采集了 833 个 CPU 时钟事件，而总事件数则为 97742399
- 第一列 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。
- 第二列 Shared ，是该函数或指令所在的动态共享对象（Dynamic Shared Object），如内核、进程名、动态链接库名、内核模块名等
- 第三列 Object ，是动态共享对象的类型。比如 [.] 表示用户空间的可执行程序、或者动态链接库，而 [k] 则表示内核空间。
- 最后一列 Symbol 是符号名，也就是函数名。当函数名未知时，用十六进制的地址来表示。
perf record 和 perf report
perf top 虽然实时展示了系统的性能信息，但它的缺点是并不保存数据，也就无法用于离线或者后续的分析。而 perf record 则提供了保存数据的功能，保存后的数据，需要你用 perf report 解析展示
$ perf record # 按Ctrl+C终止采样 [ perf record: Woken up 1 times to write data ] [ perf record: Captured and wrote 0.452 MB perf.data (6093 samples) ] $ perf report # 展示类似于perf top的报告
在实际使用中，我们还经常为 perf top 和 perf record 加上 -g 参数，开启调用关系的采样，方便我们根据调用链来分析性能问题
cpu使用率升高分析思路
- 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
- 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
- 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是不是出现了 I/O 问题
- 软中断和硬中断高，说明软中断或硬中断的处理程序占用了较多的 CPU，所以应该着重排查内核中的中断服务程序
4.CPU性能查看工具
