26-CPU知识

CPU

中央处理器

一段程序要被执行，先编译成机器语言

进入内存

cpu控制器再从内存中获取指令、数据，放到寄存器中，

时钟控制cpu的运算器睡眠时候开始计算，计算时长多长

运算器开始计算，运算过程中，如果还需要数据，控制器再从寄存器中拿数据，拿不到就从内存中拿，如果一个时间片段计算不完，就干其他事，之后再执行，执行完了输出数据给寄存器，再传给内存

影响CPU性能的物理因素：主频、架构、核

架构

• Inter(x86)
• AMD(x86)
• IBM(PowerPC)
• ARM

主频

GHz

核心数

单核、双核、n核

CPU的四个组成部分

运算器

运算

控制器

把内存的指令、数据读入寄存器，控制计算机

寄存器

暂存指针、数据、地址

CPU的几级缓存，就是寄存器

时钟

计时

在CPU中进行计算时，都会分配一个时间片段

• 如果某个计算，在分配的时间片段中完成，自动中断
• 如果某个计算，在分配的时间片段中没有完成，强制中断

如果某个任务需要的计算时间比较长，那么cpu的分片就会出现不连续的时间分片

内存

与CPU沟通的桥梁

存cpu的运算数据

硬盘、外存数据

CPU的数据来源

有内存数据

• 内存中的数据
• 外设数据

磁盘数据

执行顺序

CPU中的控制单元，控制指令执行的顺序，并不是按照先后顺序执行，而是按照优先级顺序

运算单元，进行计算时：

• 如果源数据充足
• 如果源数据不够，则会发生等待「iowait」

查看CPU信息

lscpu

cat /proc/cpuinfo 内存中记录的cpu信息
cat /proc/cpuinfo | grep "physical id"|sort |uniq |wc -l 查看物理cpu数量
cat /proc/cpuinfo | grep "cpu cores"|uniq 查看CPU的core数「核数」
cat /proc/cpuinfo | grep "processor"|wc -l 查看逻辑CPU数量

监控cpu

load average值 和CPU使用率之间的关系

现在的linux服务器中 load average 不等于 CPU使用率

load average是系统的整体负载体现，它包括 CPU负载+Disk负载+网络负载+外设负载

load average = cpuload + ioload

CPU的使用：用户进程使用时间us、系统内核运行时间sy、空闲时间idle、管理被抢占时间st

繁忙：us + sy + st + ni + hi + si = CPU使用率的时间（除以总时间）

空闲：idle + wa

• sy：上下文切换「自愿、非自愿」

自愿上下文切换：内存瓶颈

非自愿上下文切换：cpu瓶颈（抢占资源）

• us\ni：用户运行计算 CPU密集计算、FGC、死循环
• si：软中断 CPU竞争
• wa：等待资源 I/O问题（磁盘、网络）
• st：抢占资源（宿主机抢占资源）

CPU上下文

上下文：CPU寄存器和程序计数器

程序计数器：存储CPU正在执行的指令位置和下一条指令的位置

上下文切换：先把当前的任务CPU上下文（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CPU的寄存器和程序计数器中，CPU再跳转到计数器上执行新任务

上下文切换可以分为：

• 进程上下文切换
• 线程上下文切换
• 中断上下文切换

进程：资源的基本单位

线程：调度的基本单位

进程上下文切换：特权等级，跨等级时，需要「系统调用」

1. 同进程上下文切换：进程用户态-系统调用-进程内核-系统调用-进程用户态
2. 不同进程上下文切换：进程切换时要保存进程用户态资源（虚拟内存，栈等）

线程上下文切换

线程，共享进程的资源，但是线程也有自己所有的数据，如栈、寄存器

1. 同进程中线程上下文切换：进程资源共享，切换线程私有资源

2. 不通进程中线程上下文切换=切换进程

CPU性能分析

load 高&& CPU高

情况1

sy系统态高：排查CPU上下文切换

1. 如果「非资源上下文切换」多，说明CPU不够用，进程时间片到，被迫切换
2. 如果「自愿上下文切换」多，说明计算用的资源不够用，可能存在I/O、内存瓶颈

root@zx:~# vmstat 1
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 142112 170316 3332688    0    0     0     5    1    2  1  1 99  0  0
 0  0      0 141844 170316 3332728    0    0     0     0  877 1585  1  1 98  0  0

如果cs比较高，说明可能存在上下文切换问题

root@zx:~# pidstat -u -w 1 
Linux 5.4.0-54-generic (zx)     06/03/2021      _x86_64_        (2 CPU)

08:45:08 PM   UID       PID    %usr %system  %guest   %wait    %CPU   CPU  Command
08:45:09 PM     0      6095    0.99    0.00    0.00    0.00    0.99     1  dockerd
08:45:09 PM     0     10684    0.99    0.00    0.00    0.00    0.99     1  containerd-shim
08:45:09 PM     0     10776    0.99    0.99    0.00    0.00    1.98     1  gunicorn
08:45:09 PM     0    479183    0.00    1.98    0.00    0.00    1.98     1  AliYunDun
08:45:09 PM     0    503082    0.00    0.99    0.00    0.00    0.99     0  kworker/0:1-events

08:45:08 PM   UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command
08:45:09 PM     0        11     40.59      0.00  rcu_sched
08:45:09 PM     0     10708      1.98      0.99  supervisord
08:45:09 PM     0     10775      0.99      0.00  gunicorn
08:45:09 PM     0    479183     10.89      0.00  AliYunDun
08:45:09 PM     0    496341      3.96      0.00  kworker/1:1-events
08:45:09 PM     0    502548     12.87      0.00  kworker/u4:2-events_power_efficient
08:45:09 PM     0    503082      6.93      0.00  kworker/0:1-events
08:45:09 PM     0    503173      0.99      0.00  pidstat

cswch/s :自愿上下文

nvcswch/s:非资源上下文

情况2

si软中断高：CPU抢资源，资源不够用 I/O问题

1. sys高 + si 高 = 内存或者网络I/O问题

   解决办法：排查内存 和 I/O

2. sys高 + si 不高 = CPU瓶颈

   加CPU

情况3

us用户态高：用户程序计算

GC 资源回收

密集型计算、内存FGC、资源等待（线程池）

CPU实战

stress-ng

服务器cpu性能压测工具，模拟系统压力

安装

$ yum install -y epel-release.noarch && yum -y update
$ yum install -y stress-ng

实操一：进程上下文

进程上下文切换「进程密集型」

# 启动N*10个进程，在只有N核的系统上，会产生大量的进程切换，模拟进程间竞争CPU的场景
$ (( proc_cnt = 'nproc'*10 )); stress-ng --cpu $proc_cnt --pthread 1 --timeout 150
stress-ng: info:  [504418] dispatching hogs: 2 cpu, 1 pthread

$ top

$ vmstat 1

$ pidstat -u -w 1 

1. top：load值一直在增加 系统负载在升高
2. top：CPU的 us +sy 约等于 100% us较高 sy较低
3. vmstat：procs的 r就绪队列长度，正在运行和等待的CPU进程数很大
4. vmstat ：system的in「每秒中断次数」和cs「上下文切换次数」都很大
5. vmstat：free、buff、cache变化不大
6. pidstat：nvcswch/s 非自愿上下文切换在逐步升高

解决办法：项目所在的服务器，

• 减少运行中的进程
• 增加cpu的数量

实操二：线程上下文

# 在N核系统上，生成N个进程，每个进程1024个线程，模拟线程间竞争CPU的场景
$ stress-ng --cpu `nproc` --pthread 1024 --timeout 60 

$ top

$ vmstat 1

$ pidstat -u -w 1 

1. top：load值一直在增加，而且增长的非常大
2. top：CPU的us + sy 约等于100% us较低、sy较高
3. vmstat：procs的r就绪队列长度，正在运行和等待的CPU进程数很大
4. vmsta：system的in「每秒中断数」和cs「上下文切换数」都很大
5. vmstat：free变小、buff基本不变、cache变大

• free：内存空闲空间，内存消耗增大
• buffer：buffer数磁盘虚拟出来的，用于内存从磁盘读取数据时使用
• cache：cache是内存虚拟出来，用于cpu与内存速度匹配

6. pidstat：cswch/s 自愿上下文切换升高

当一个程序开启了大量的线程，就会使用大量的内存资源，就会出现大量的cpu竞争。

从内存中获取数据会有大量的IO数据交换。

解决办法

• 减少项目启动的线程数
• 更换内存速度更高的内存条
• 更换使用CPU的缓存更大的CPU（效果不一定好）
• 改系统的交互分区

实战三：IO密集型

# 开启1个worker不停的读写临时文件，同时启动 6个workers不停的调用sync系统调用提交缓存
$ stress-ng -i 6 --hdd 1 --timeout 150

$ top

$ vmstat 1

$ mpstat -P ALL 3

$ pidstat -w 1

1. top：load值升高，CPU的wa值很大，freeMem变小，buff/cache值增大
2. vmstat ：memory的free变小，buff基本不变，cache变大，io的bo值非常大「磁盘读写」，CPU的in、cs也都很大
3. mpstat：%iowait变得很大，有大量的磁盘IO
4. pidstat：cswch/s 自愿上下文切换 变得非常大

解决办法

磁盘性能导致

• 更换读写速度更快的磁盘
• 加大内存

网络IO导致

• 调整网络参数或更换速度更快的网卡