Linux系统性能监控——第2章 CPU篇(上)

目录

2.1. CPU介绍

2.1.1. 上下文切换

2.1.2. 运行队列

2.1.3. CPU 利用率

2.2. CPU 性能监控

2.2.1. vmstat 工具的使用

2.2.2. 案例学习:持续的CPU 利用率

2.2.3. 案例学习:超负荷调度

2.2.4. mpstat 工具的使用

2.2.5. 案例学习: 未充分使用的处理量

2.3. 结论


2.1 CPU介绍

CPU利用率主要依赖于是什么资源在试图存取.内核调度器将负责调度2种资源种类:线程(单一或者多路)和中断.调度器去定义不同资源的不同优先权.以下列表从优先级高到低排列:

1.  Interrupts(译注:中断) - 设备通知内核,他们完成一次数据处理的过程.例子,当一块网卡设备递送网络数据包或者一块硬件提供了一次IO 请求.

2.  Kernel(System) Processes(译注:内核处理过程) - 所有内核处理过程就是控制优先级别.

3.  User Processes(译注:用户进程) - 这块涉及”userland”.所有软件程序都运行在这个user space.这块在内核调度机制中处于低优先级.

从上面,我们可以看出内核是怎样管理不同资源的.还有几个关键内容需要介绍,以下部分就将介绍context(译注:上下文切换),run queues(译注:运行队列)以及utilization(译注:利用率).

2.1.1. 上下文切换

多数现代处理器都能够运行一个进程(单一线程)或者线程.多路超线程处理器有能力运行多个线程.然而,Linux 内核还是把每个处理器核心的双核心芯片作为独立的处理器.比如,以Linux 内核的系统在一个双核心处理器上,是报告显示为两个独立的处理器.

一个标准的Linux 内核可以运行50 至 50,000 的处理线程.在只有一个CPU时,内核将调度并均衡每个进程线程.每个线程都分配一个在处理器中被开销的时间额度.一个线程要么就是获得时间额度或已抢先获得一些具有较高优先级(比如硬件中断),其中较高优先级的线程将从区域重新放置回处理器的队列中.这种线程的转换关系就是我们提到的上下文切换.

每次内核的上下文切换,资源被用于关闭在CPU寄存器中的线程和放置在队列中.系统中越多的上下文切换,在处理器的调度管理下,内核将得到更多的工作.

2.1.2. 运行队列

每个CPU 都维护一个线程的运行队列.理论上,调度器应该不断的运行和执行线程.进程线程不是在sleep 状态中(译注:阻塞中和等待IO中)或就是在可运行状态中.如果CPU 子系统处于高负荷下,那就意味着内核调度将无法及时响应系统请求.导致结果,可运行状态进程拥塞在运行队列里.当运行队列越来越巨大,进程线程将花费更多的时间获取被执行.

比较流行的术语就是”load”,它提供当前运行队列的详细状态.系统 load 就是指在CPU 队列中有多少数目的线程,以及其中当前有多少进程线程数目被执行的组合.如果一个双核系统执行了2个线程,还有4个在运行队列中,则 load 应该为 6. top 这个程序里显示的load averages 是指1,5,15 分钟以内的load 情况.

2.1.3. CPU 利用率

CPU 利用率就是定义CPU 使用的百分比.评估系统最重要的一个度量方式就是CPU 的利用率.多数性能监控工具关于CPU 利用率的分类有以下几种:

·       User Time(译注:用户进程时间) - 关于在user space中被执行进程在CPU 开销时间百分比.

·       System Time(译注:内核线程以及中断时间) - 关于在kernel space中线程和中断在CPU 开销时间百分比.

·       Wait IO(译注:IO 请求等待时间) - 所有进程线程被阻塞等待完成一次IO 请求所占CPU 开销idle的时间百分比.

·       Idle(译注:空闲) - 一个完整空闲状态的进程在CPU 处理器中开销的时间百分比.


2.2 CPU性能监控

理解运行队列,利用率,上下文切换对怎样CPU 性能最优化之间的关系.早期提及到,性能是相对于基准线数据的.在一些系统中,通常预期所达到的性能包括:

·       Run Queues - 每个处理器应该运行队列不超过1-3个线程.例子,一个双核处理器应该运行队列不要超过6 个线程。

·       CPU Utiliation - 如果一个CPU 被充分使用,利用率分类之间均衡的比例应该是:

·65% - 70% User Time
·0%   - 5%   Idle Time

·       Context Switches - 上下文切换的数目直接关系到CPU 的使用率,如果CPU 利用率保持在上述均衡状态时,大量的上下文切换是正常的.

很多Linux 上的工具可以得到这些状态值,首先就是 vmstat 和 top 这2个工具。

2.2.1. vmstat 工具的使用

vmstat 工具提供了一种低开销的系统性能观察方式.因为 vmstat 本身就是低开销工具,在非常高负荷的服务器上,你需要查看并监控系统的健康情况,在控制窗口还是能够使用vmstat 输出结果.这个工具运行在2种模式下:average 和 sample 模式.sample 模式通过指定间隔时间测量状态值.这个模式对于理解在持续负荷下的性能表现,很有帮助.下面就是

vmstat 运行1秒间隔的示例:

# vmstat 1
procs ———–memory———- —swap– —–io—- –system– —-cpu—-
r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in    cs us sy id wa
0  0 104300  16800  95328  72200    0    0     5    26    7    14  4  1 95  0
0  0 104300  16800  95328  72200    0    0     0    24 1021    64  1  1 98  0
0  0 104300  16800  95328  72200    0    0     0     0 1009    59  1  1 98  0

2.1. The vmstat CPU statistics

Field

Description

r

The amount of threads in the run queue.   These are threads that are runnable, but the CPU is not available to execute   them. 当前运行队列中线程的数目.代表线程处于可运行状态,CPU 还未能执行.

b

This is the number of processes blocked   and waiting on IO requests to finish. 当前进程阻塞并等待IO 请求完成的数目

in

This is the number of interrupts being   processed. 当前中断被处理的数目

cs

This is the number of context switches   currently happening on the system. 当前kernel system,发生上下文切换的数目

us

This is the percentage of user CPU   utilization. CPU 利用率的百分比

sys

This is the percentage of kernel and   interrupts utilization. 内核和中断利用率的百分比

wa

This is the percentage of idle processor   time due to the fact that ALL runnable threads are blocked waiting on IO. 所有可运行状态线程被阻塞在等待IO 请求的百分比

id

This is the percentage of time that the   CPU is completely idle. CPU 空闲时间的百分比

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