Linux 性能监测：CPU
| 2013-08-14 09:33 收藏: 7 分享: 1
CPU 的占用主要取决于什么样的资源正在 CPU 上面运行，比如拷贝一个文件通常占用较少 CPU，因为大部分工作是由 DMA（Direct Memory Access）完成，只是在完成拷贝以后给一个中断让 CPU 知道拷贝已经完成；科学计算通常占用较多的 CPU，大部分计算工作都需要在 CPU 上完成，内存、硬盘等子系统只做暂时的数据存储工作。
要想监测和理解 CPU 的性能需要知道一些的操作系统的基本知识，比如：中断、进程调度、进程上下文切换、可运行队列等。这里 VPSee 用个例子来简单介绍一下这些概念和他们的关系，CPU 很无辜，是个任劳任怨的打工仔，每时每刻都有工作在做（进程、线程）并且自己有一张工作清单（可运行队列），由老板（进程调度）来决定他该干什么，他需要和老板沟通以便得到老板的想法并及时调整自己的工作（上下文切换），部分工作做完以后还需要及时向老板汇报（中断），所以打工仔（CPU）除了做自己该做的工作以外，还有大量时间和精力花在沟通和汇报上。
CPU 也是一种硬件资源，和任何其他硬件设备一样也需要驱动和管理程序才能使用，我们可以把内核的进程调度看作是 CPU 的管理程序，用来管理和分配 CPU 资源，合理安排进程抢占 CPU，并决定哪个进程该使用 CPU、哪个进程该等待。操作系统内核里的进程调度主要用来调度两类资源：进程（或线程）和中断，进程调度给不同的资源分配了不同的优先级，优先级最高的是硬件中断，其次是内核（系统）进程，最后是用户进程。每个 CPU 都维护着一个可运行队列，用来存放那些可运行的线程。线程要么在睡眠状态（blocked 正在等待 IO）要么在可运行状态，如果 CPU 当前负载太高而新的请求不断，就会出现进程调度暂时应付不过来的情况，这个时候就不得不把线程暂时放到可运行队列里。VPSee 在这里要讨论的是性能监测，上面谈了一堆都没提到性能，那么这些概念和性能监测有什么关系呢？关系重大。如果你是老板，你如何检查打工仔的效率（性能）呢？我们一般会通过以下这些信息来判断打工仔是否偷懒：
- 打工仔接受和完成多少任务并向老板汇报了（中断）；
- 打工仔和老板沟通、协商每项工作的工作进度（上下文切换）；
- 打工仔的工作列表是不是都有排满（可运行队列）；
- 打工仔工作效率如何，是不是在偷懒（CPU 利用率）。
现在把打工仔换成 CPU，我们可以通过查看这些重要参数：中断、上下文切换、可运行队列、CPU 利用率来监测 CPU 的性能。
底线
上一篇 Linux 性能监测：介绍 提到了性能监测前需要知道底线，那么监测 CPU 性能的底线是什么呢？通常我们期望我们的系统能到达以下目标：
- CPU 利用率，如果 CPU 有 100％ 利用率，那么应该到达这样一个平衡：65％－70％ User Time，30％－35％ System Time，0％－5％ Idle Time；
- 上下文切换，上下文切换应该和 CPU 利用率联系起来看，如果能保持上面的 CPU 利用率平衡，大量的上下文切换是可以接受的；
- 可运行队列，每个可运行队列不应该超过3个线程（每处理器），比如：双处理器系统的可运行队列里不应该超过6个线程。
vmstat
vmstat 是个查看系统整体性能的小工具，小巧、即使在很 heavy 的情况下也运行良好，并且可以用时间间隔采集得到连续的性能数据。
$ 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 2 1 140 2787980 336304 3531996 0 0 0 128 1166 5033 3 3 70 25 0 0 1 140 2788296 336304 3531996 0 0 0 0 1194 5605 3 3 69 25 0 0 1 140 2788436 336304 3531996 0 0 0 0 1249 8036 5 4 67 25 0 0 1 140 2782688 336304 3531996 0 0 0 0 1333 7792 6 6 64 25 0 3 1 140 2779292 336304 3531992 0 0 0 28 1323 7087 4 5 67 25 0
参数介绍：
- r，可运行队列的线程数，这些线程都是可运行状态，只不过 CPU 暂时不可用；
- b，被 blocked 的进程数，正在等待 IO 请求；
- in，被处理过的中断数
- cs，系统上正在做上下文切换的数目
- us，用户占用 CPU 的百分比
- sy，内核和中断占用 CPU 的百分比
- wa，所有可运行的线程被 blocked 以后都在等待 IO，这时候 CPU 空闲的百分比
- id，CPU 完全空闲的百分比
举两个现实中的例子来实际分析一下：
$ 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 4 0 140 2915476 341288 3951700 0 0 0 0 1057 523 19 81 0 0 0 4 0 140 2915724 341296 3951700 0 0 0 0 1048 546 19 81 0 0 0 4 0 140 2915848 341296 3951700 0 0 0 0 1044 514 18 82 0 0 0 4 0 140 2915848 341296 3951700 0 0 0 24 1044 564 20 80 0 0 0 4 0 140 2915848 341296 3951700 0 0 0 0 1060 546 18 82 0 0 0
从上面的数据可以看出几点：
- interrupts（in）非常高，context switch（cs）比较低，说明这个 CPU 一直在不停的请求资源；
- system time（sy）一直保持在 80％ 以上，而且上下文切换较低（cs），说明某个进程可能一直霸占着 CPU（不断请求资源）；
- run queue（r）刚好在4个。
$ 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 14 0 140 2904316 341912 3952308 0 0 0 460 1106 9593 36 64 1 0 0 17 0 140 2903492 341912 3951780 0 0 0 0 1037 9614 35 65 1 0 0 20 0 140 2902016 341912 3952000 0 0 0 0 1046 9739 35 64 1 0 0 17 0 140 2903904 341912 3951888 0 0 0 76 1044 9879 37 63 0 0 0 16 0 140 2904580 341912 3952108 0 0 0 0 1055 9808 34 65 1 0 0
从上面的数据可以看出几点：
- context switch（cs）比 interrupts（in）要高得多，说明内核不得不来回切换进程；
- 进一步观察发现 system time（sy）很高而 user time（us）很低，而且加上高频度的上下文切换（cs），说明正在运行的应用程序调用了大量的系统调用（system call）；
- run queue（r）在14个线程以上，按照这个测试机器的硬件配置（四核），应该保持在12个以内。
mpstat
mpstat 和 vmstat 类似，不同的是 mpstat 可以输出多个处理器的数据，下面的输出显示 CPU1 和 CPU2 基本上没有派上用场，系统有足够的能力处理更多的任务。
$ mpstat -P ALL 1 Linux 2.6.18-164.el5 (vpsee) 11/13/2009 02:24:33 PM CPU %user %nice %sys %iowait %irq %soft %steal %idle intr/s 02:24:34 PM all 5.26 0.00 4.01 25.06 0.00 0.00 0.00 65.66 1446.00 02:24:34 PM 0 7.00 0.00 8.00 0.00 0.00 0.00 0.00 85.00 1001.00 02:24:34 PM 1 13.00 0.00 8.00 0.00 0.00 0.00 0.00 79.00 444.00 02:24:34 PM 2 0.00 0.00 0.00 100.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 02:24:34 PM 3 0.99 0.00 0.99 0.00 0.00 0.00 0.00 98.02 0.00
ps
如何查看某个程序、进程占用了多少 CPU 资源呢？下面是 Firefox 在 VPSee 的一台 Sunray 服务器上的运行情况，当前只有2个用户在使用 Firefox：
$ while :; do ps -eo pid,ni,pri,pcpu,psr,comm | grep 'firefox'; sleep 1; done PID NI PRI %CPU PSR COMMAND 7252 0 24 3.2 3 firefox 9846 0 24 8.8 0 firefox 7252 0 24 3.2 2 firefox 9846 0 24 8.8 0 firefox 7252 0 24 3.2 2 firefox
 );){kind=link}