操作系统优化篇--CPU优化

一、CPU性能相关的重要指标

 在CPU性能优化前，需要知道具体优化他的哪些指标，就好比，我们人在做体检时，也是针对某些关键指标进行检测。只有和正常值进行对比之后才知道问题在哪里，然后进行对症下药。同样，只有对比CPU指标之后，才知道他的性能瓶颈在哪。

CPU重要的指标主要有三个：平均负载、使用率、上下文切换。

• 平均负载

平均负载是指：单位时间内，CPU上的活跃进程数。而活跃进程数呢，具体是指处于Running和不可中断状态的进程。

平均负载和CPU核数有一定关系。比如，一个8核心的操作系统，当前负载为6，那么只能说明此时CPU的负载为6/8,也就是75%。只有当平均负载到8时，CPU的繁忙程度接近饱和了，也就是100%，当然此时还不能算是繁忙，只能说CPU100%的时间在工作，没有空闲。

 

• 使用率

CPU的使用率，是指单位时间内，CPU花费的处理时间占比。主要有以下几种主要类型：

1、usr，cpu处理用户态的进程所占用时间的百分比，用户态的进程一般是指用户的应用程序；

2、sys，cpu处理内核态的进程所占用时间的百分比，内核态的进程一般是指系统调用（system call）

3、steal、guest。steal是指作为宿主机时，上面运行的virtual machine所占用cpu的时间百分比；guest是指作为宿主机时，所占用cpu的时间百分比。

4、iowait，cpu处理IO操作所占用时间的百分比

5、interrupt 、soft interrupt 。cpu处理硬中断和软中断所占用时间的百分比

 

上下文切换

第三个重要指标是上下文切换。

什么是上下文切换？我们知道，程序在CPU上运行，是以时间片为单位进行调度，当某个进程的时间片到了，就必须将当前进程挂起，然后加载新的进程到CPU上运行。一个挂起，一个加载的过程，就是一次CPU上下文切换。

这个过程看似简单，其实内部是一个比较复杂的过程。包括：将当前进行的堆栈信息、虚拟内存以及指令寄存器、程序计数器等信息进行缓存到CPU的缓存中，同时加载新的进程的同样信息到CPU中，整个过程需要消耗一定CPU开销，如果上下文切换频繁的话，势必会引起CPU性能问题。

 

二、CPU故障排查思路

CPU性能定位大概思路：

1、通过top命令查看当前系统整体的CPU使用率和负载情况。同时可以按 “1”查看每个核的CPU使用率情况。负载包括：最近1分钟、最近5分钟、最近15分钟的平均负载情况。

其中，比较关注或者常见的CPU使用率高的指标为：1、usr，也就是用户的应用程序占用cpu多；2、iowait，cpu处理io操作占用的时间比较多

2、知道了操作系统整体情况后，我们肯定希望知道是具体哪个应用程序导致。此时可以通过pidstat -u 3 查看当前系统上进程的CPU使用情况，基本上可以定位到具体哪个程序CPU使用率比较高。

 

三、CPU性能优化建议

CPU性能优化，主要从两方面着手：

• 应用程序角度
• 系统资源角度

应用程序优化：

1. 编译阶段进行优化：比如C++程序在通过gcc进行编译的时候，提供优化选项-O2，针对应用程序自动进行内存和cpu性能优化
2. 算法优化：快排、归并代替冒泡、插入
3. 异步处理：比如golang里面的goroutine
4. 多线程代替多进程
5. 善用缓存：将耗时长的操作通过缓存进行，比如通过redis进行耗时长的io操作

系统资源优化：

1. CPU绑定：进程和CPU绑定，提高缓存命中，减少上下文切换
2. CPU独占
3. 优先级调整
4. 给应用程序设置资源限制：通过cgroups来设置cpu使用上限
5. NUMA：让cpu尽量使用本地缓存
6. 开启中断负载均衡：irqbalance，把中断处理自动负载均衡到多个CPU上

 

总则：避免过早优化，性能随着业务时刻在变化，在不断调整中优化适当指标，才是最优状态！