Linux性能優化2.1 CPU性能統計資訊

<b>摘要</b>

性能工具：系統cpu

本章概述了系統級的linux性能工具。這些工具是你追蹤性能問題時的第一道防線。它們能展示整個系統的性能情況和哪些部分表現不好。本章将讨論這些工具可以測量的統計資訊，以及如何使用各種工具收集這些統計結果。閱讀本章後，你将能夠：

了解系統級性能的基本名額，包括cpu的使用情況。

明白哪些工具可以檢索這些系統級性能名額。

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<b>2.1　cpu性能統計資訊</b>

每一種系統級linux性能工具都提供了不同的方式來提取相似的統計結果。雖然沒有工具能顯示全部的資訊，但是有些工具顯示的是相同的統計資訊。為了不多次（每種工具一次）解釋統計資訊的含義，我們在描述所有工具之前對這些資訊進行一次性說明。

2.1.1　運作隊列統計

在linux中，一個程序要麼是可運作的，要麼是阻塞的（正在等待一個事件的完成）。阻塞程序可能在等待的是從i/o裝置來的資料，或者是系統調用的結果。如果程序是可運作的，那就意味着它要和其他也是可運作的程序競争cpu時間。一個可運作的程序不一定會使用cpu，但是當linux排程器決定下一個要運作的程序時，它會從可運作程序隊列中挑選。如果程序是可運作的，同時又在等待使用處理器，這些程序就構成了運作隊列。運作隊列越長，處于等待狀态的程序就越多。

性能工具通常會給出可運作的程序個數和等待i/o的阻塞程序個數。另一種常見的系統統計是平均負載。系統的負載是指正在運作和可運作的程序總數。比如，如果正在運作的程序為兩個，而可運作的程序為三個，那麼系統負載就是5。平均負載是給定時間内的負載量。一般情況下，取平均負載的時間為1分鐘、5分鐘和15分鐘。這能讓你觀察到負載是如何随時間變化的。

2.1.2　上下文切換

大部分現代處理器一次隻能運作一個程序或線程。雖然有些處理器（比如超線程處理器）實際上可以同時運作多個程序，但是linux會把它們看作多個單線程處理器。如果要制造出給定單處理器同時運作多個任務的假象，linux核心就要不斷地在不同的程序間切換。這種不同程序間的切換稱為上下文切換，因為當其發生時，cpu要儲存舊程序的所有上下文資訊，并取出新程序的所有上下文資訊。上下文中包含了linux跟蹤新程序的大量資訊，其中包括：程序正在執行的指令，配置設定給程序的記憶體，程序打開的檔案等。這些上下文切換涉及大量資訊的移動，是以，上下文切換的開銷可以是相當大的。盡量減少上下文切換的次數是個好主意。

要避免上下文切換，重要的一點是了解它們是如何發生的。首先，上下文切換可以是核心排程的結果。為了保證公平地給每個程序配置設定處理器時間，核心周期性地中斷正在運作的程序，在适當的情況下，核心排程器會決定開始另一個程序，而不是讓目前程序繼續執行。每次這種周期性中斷或定時發生時，你的系統都可能進行上下文切換。每秒定時中斷的次數與架構和核心版本有關。一個檢查中斷頻率的簡單方法是用/proc/interrupts檔案，它可以确定已知時長内發生的中斷次數。如清單2.1所示。

清單2.1

在清單2.1中，我們要求核心給出定時器啟動的次數，等待10秒後，再次請求。這就是說，在這台機器上定時器啟動頻率為（24 070 093-24 060 043）中斷/（10秒）或者約1000次中斷/秒。如果你的上下文切換明顯多于定時器中斷，那麼這些切換極有可能是由i/o請求或其他長時間運作的系統調用（如休眠）造成的。當應用請求的操作不能立即完成時，核心啟動該操作，儲存請求程序，并嘗試切換到另一個已就緒程序。這能讓處理器盡量保持忙狀态。

2.1.3　中斷

此外，處理器還周期性地從硬體裝置接收中斷。當裝置有事件需要核心處理時，它通常就會觸發這些中斷。比如，如果磁盤控制器剛剛完成從驅動器取資料塊的操作，并準備好提供給核心，那麼磁盤控制器就會觸發一個中斷。對核心收到的每個中斷，如果已經有相應的已注冊的中斷處理程式，就運作該程式，否則将忽略這個中斷。這些中斷處理程式在系統中具有很高的運作優先級，并且通常執行速度也很快。有時，中斷處理程式有工作要做，但是又不需要高優先級，是以它可以啟動“下半部”（bottom half），也就是所謂的軟中斷處理程式。如果有很多中斷，核心會花大量的時間服務這些中斷。檢視/proc/interrupts檔案可以顯示出哪些cpu上觸發了哪些中斷。

2.1.4　cpu使用率

cpu使用率是個簡單的概念。在任何給定的時間，cpu可以執行以下七件事情中的一個：

（1）cpu可以是空閑的，這意味着處理器實際上沒有做任何工作，并且等待有任務可以執行。

（2）cpu可以運作使用者代碼，即指定的“使用者”時間。

（3）cpu可以執行linux核心中的應用程式代碼，這就是“系統”時間。

（4）cpu可以執行“比較友好”的或者優先級被設定為低于一般程序的使用者代碼。

（5）cpu可以處于iowait狀态，即系統正在等待i/o（如磁盤或網絡）完成。

（6）cpu可以處于irq狀态，即它正在用高優先級代碼處理硬體中斷。

（7）cpu可以處于softirq模式，即系統正在執行同樣由中斷觸發的核心代碼，隻不過其運作于較低優先級（下半部代碼）。

此情景出現的條件為：發生裝置中斷時，而核心在将其移交給使用者空間之前必須對其進行一些處理（比如，處理網絡包）。

大多數性能工具将這些數值表示為占cpu總時間的百分比。這些時間的範圍從0%到100%，但全部三項加起來等于100%。一個具有高“系統”百分比的系統表明其大部分時間都消耗在了核心上。像oprofile一樣的工具可以幫助确定時間都消耗在了哪裡。具有高“使用者”時間的系統則将其大部分時間都用來運作應用程式。下一章展示在上述情況下，如何用性能工具追蹤問題。如果系統在應該工作的時候花費了大量的時間處于iowait狀态，那它很可能在等待來自裝置的i/o。導緻速度變慢的原因可能是磁盤、網卡或其他裝置。