极客时间《Linux 性能优化实战》学习笔记

极客时间专栏《Linux 性能优化实战》：Linux性能优化实战_Linux_性能调优-极客时间 (geekbang.org)

CPU 性能

平均负载

• 是什么？

• 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。

• 可运行状态：正在使用 CPU 或者正在等待 CPU 的进程。

• 不可中断状态：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，不可中断状态实际上是系统对进程和硬件设备的一种保护机制

• 有什么用？

• 平均负载最理想的情况是等于 CPU 的个数，当平均负载比 CPU 的个数还要大的时候，系统已经出现了过载

• 查看本机 CPU 个数

• 如何用？

• 平均负载参数及其解释

• 13:39:07 当前时间

• up 1 min 系统已经运行的时间

• 1 user 正在登录的用户数

• 0.74， 0.40， 0.15 分别表示过去 1 分钟、5 分钟、15 分钟的平均负载（Load Average）。三个不同时间间隔的平均值，其实给我们提供了，分析系统负载趋势的数据来源，让我们能更全面、更立体地理解目前的负载状况。

• 平均负载与 CPU 使用率的关系（平均负载=使用 CPU 的进程+等待 I/O 的进程+等待 CPU 的进程）

• CPU 密集型进程，使用大量 CPU 会导致平均负载升高此时两者是一致的

• I/O 密集型，等待 I/O 也会导致平均负载升高，此时 CPU 使用率不一定高

• 大量等古代 CPU 的进程调度会导致平均负载升高，此时 CPU 使用率也会比较高

• 平均负载案例分析

安装 stress, sysstat

打开三个终端，登录到同一台 LInux 机器中

• CPU 密集型

• uptime # 查看测试前的平均负载

• stress --cpu 1 --timeout 600

• watch -d uptime # -d 参数表示高亮显示变化区域

• mpstat -P ALL 5 #表示监控所有 CPU，后面的数字 5 表示每隔 5 秒后输出一组数据

• pidstat -u 5 1 # 间隔 5 秒 后输出一组数据

从 pidstat 这张图上可以看到 stress 进程的使用率为 100%

• I/O 密集型

• stress -i 1 --timeout 600

• watch -d uptime

• mpstat -P -ALL 5 1

• pidstat -u 5 1

centos 得 pidstat 无法查看 iowait

• 大量进程

• 当系统中运行的进程超过 CPU 运行能力时，就会出现 CPU 等待的进程

• stress - c 8 --timeout 600

• 单 CPU 相对于 8 个进程 少的多，CPU 严重过载

• 运行 pidstat 查看进程情况

• 每个进程等待 CPU 的时间（也就是代码块中的 %wait 列）高达 75%。这些超出 CPU 计算能力的进程，最终导致 CPU 过载。

平均负载提供了一个快速查看系统整体性能的手段，反映了整体的负载情况。但只看平均负载本身，我们并不能直接发现，到底是哪里出现了瓶颈。所以，在理解平均负载时，也要注意：

- 平均负载高有可能是 CPU 密集型进程导致的；

- 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；

- 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。

CPU 上下文切换

进程在竞争 CPU 的时候并没有真正运行，为为什么还会导致系统负载升高呢？

Tsuna's blog: How long does it take to make a context switch? (tsunanet.net)

Linux 是一个多任务操作系统，它支持远大于 CPU 数量的任务同时运行。

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，单速度极快的内存。

程序计数器 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，就是先把前一个任务的 CPU 上下文（也就是 CPU 寄存器和程序计数器）保存起来，然后加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器，最后再跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。

这些保存下来的上下文，会存储在系统内核中，并在任务重新调度执行时再次加载进来。这样就能保证任务原来的状态不受影响，让任务看起来还是连续运行。

硬件触发信号，会导致中断处理程序调用。根据任务的不同 CPU 的上下文切换可以分为几个不同的场景：进程上下文切换，线程上下切换以及中断上下切换

• 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，对应 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

进程既可以在用户空间运行，又可以在内核空间中运行。进程在用户空间运行时，被称为进程的用户态，而陷入内核空间的时候，被称为进程的内核态。

用户态到内核态的转变，需要通过系统调用来完成

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。

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。 系统调用过程中，并不会涉及到虚拟内存等进程用户态的资源，也不会切换进程。

• 进程上下文切换，是指从一个进程切换到另一个进程运行

• 系统调用过程中一直是同一个进程在运行

系统调用通常称为特权模式切换，而不是上下文切换

进程上下文切换跟系统调用的区别？

1. 进程是有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。

2. 进程的上下文切换比系统调用多了一步：在保存当前进程的内核状态和 CPU 寄存器之前，需要先把该进程的虚拟内存、栈等保存下来；而加载了下一进程的内核态后，还需要刷新进程的虚拟内存和用户栈。

3. 保存上下文和恢复上下文的过程并不是“免费”的，需要内核在 CPU 上运行才能完成。

4. 在进程上下文切换次数较多的情况下，很容易导致 CPU 将大量时间耗费在寄存器、内核栈以及虚拟内存等资源的保存和恢复上，进而大大缩短了真正运行进程的时间。

Linux 通过 TLB（Translation Lookaside Buffer）来管理虚拟内存到物理内存的映射关系。当虚拟内存更新后，TLB 也需要刷新，内存的访问也会随之变慢。特别是在多处理器系统上，缓存是被多个处理器共享的，刷新缓存不仅会影响当前处理器的进程，还会影响共享缓存的其他处理器的进程。

究竟什么时候会切换进程上下文？

程切换时才需要切换上下文，换句话说，只有在进程调度的时候，才需要切换上下文。Linux 为每个 CPU 都维护了一个就绪队列，将活跃进程（即正在运行和正在等待 CPU 的进程）按照优先级和等待 CPU 的时间排序，然后选择最需要 CPU 的进程，也就是优先级最高和等待 CPU 时间最长的进程来运行。

进程在什么时候才会被调度到 CPU 上运行呢？

最容易想到的一个时机，就是进程执行完终止了，它之前使用的 CPU 会释放出来，这个时候再从就绪队列里，拿一个新的进程过来运行

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

5. 发生硬件中断时，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

线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位。

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。

线程和进程

• 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。

1. 前后两个线程属于不同进程。此时因为资源不共享，所以切换就跟进程上下文一样

2. 前后两个线程属于同一个进程，此时因为资源时共享的，所以在切换时，虚拟内存这些资源就保持不懂动，只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据。

中断上下文切换

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。

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。

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。

• vmstat 5 查看系统的上下文切换情况

• 参数解读

• cs (context switch): 每秒上下文切换次数

• in (interrupt) 每秒中断次数

• r( Running or Runnable) 是就绪队列长度，也就是正在运行和等待 CPU 的进程数

• b(Block)则是处于不可中断睡眠状态的进程数

• pidstat -w 5 # 查看每个进程上下文切换情况

• cswh:每秒自愿上下文切换（voluntary context switches）的次数

• nvcswch:表示每秒非自愿上下文切换（non voluntary context switches）的次数。

• 自愿上下文切换，进程无法获取所需的资源，导致的上下文切换

• 非自愿上下文切换，则是指进程由于时间片已等原因，被系统强制调度，进而发生的上下文切换

演示

下载 sysbench , sysstat

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