Linux性能优化之CPU优化(一)
前言
何为性能优化？个人认为，性能优化是为了提高应用程序或系统能力为目的。那么如何才能实现对应用程序的性能调优呢？这里很设计到很多的内容，包括Linux内核、CPU架构以及Linux内核对资源的分配以及管理，了解进程的创建过程等。这方面由于篇幅较多，所以我的文章就不过多介绍。接下来的几篇文章中，都是讲解如何发现应用程序故障根源为目标讲解，这也是每一个系统工程师应该具备的能力。废话不多说，我直接进入主题。
常用术语
延时：延时是描述操作之后用来等待返回结果的时间。在某些情况下，它可以指的是整个操作时间，等同于响应时间。
IOPS：每秒发生的输入/输出操作的次数，是数据传输的一个度量方法。对于磁盘的读写，IOPS指的是每秒读写的次数。
响应时间：一般操作完成的时间。包括用于等待和服务的时间，也包括用来返回结果的时间。
使用率：对于服务所请求的资源，使用率描述在所给定时间区间内资源的繁忙程度。对于春初资源来说，使用率指的就是所消耗的存储容量。
饱和度：指的就是某一资源无法满足服务的排队工作量。
吞吐量：评价工作秩序的速率，尤其是在数据传输方面，这个属于用于数据传输速度(字节/秒和比特/秒)。在某些情况下，吞吐量指的是操作的速度。
Linux内核功能
CPU调度级别：各种先进的CPU调度算法，非一直存储访问架构(NUMA)；
I/O调度界别：I/O调度算法，包括deadline/anticipatory和完全公平队列(CFQ)；
TCP网络阻塞：TCP拥堵算法，允许按需选择；
常见问题
进程、线程和任务之间的区别是什么？
进程通常定义为程序的执行。用以执行用户级别程序的环境。它包括内存地址空间、文件描述符、线程栈和寄存器。
线程是某一进程中单独运行的程序。也就是说线程在进程之中。
任务是程序完成的某一活动,可以使一个进程,也可以是一个线程。
参考连接：http://blog.chinaunix.net/uid-25100840-id-271078.html
什么是上下文切换？
执行一段程序代码，实现一个功能的过程介绍，当得到CPU的时候，相关的资源必须也已经就位,就是显卡、内存、GPS等,然后CPU开始执行。这里除了CPU以外所有的就构成了这个程序的执行环境，也就是我们所定义的程序上下文。当这个程序执行完或者分配给他的CPU执行时间用完了,那它就要被切换出去，等待下一次CPU的临幸。在被切换出去的最后一步工作就是保存程序上下文，因为这个是下次他被CPU临幸的运行环境，必须保存。
I/O密集型和CPU密集型工作负载之间的区别？
I/O密集型指的是系统的CPU耗能相对硬盘/内存的耗能能要好很多,此时,系统运作,大部分的状况是 CPU 在等 I/O(硬盘/内存)的读/写,此时CPU负载不高。CPU密集型指的是系统的硬盘/内存耗能相对CPU的耗能要好很多,此时,系统运作,大部分的状况是 CPU负载 100%,CPU 要读/写 I/O (硬盘/内存),I/O在很短的时间就可以完成,而CPU还有许多运算要处理,CPU负载很高。一般而言CPU占用率相当高,大部份时间用来做计算、逻辑判断等CPU动作的程序。
应用程序性能技术
1.选择I/O尺寸
执行I/O的开销包括初始化缓冲区、系统调用、上下文切换、分配内核元数据、检查进程权限和限制、映射地址到设备、执行内核和驱动代码来执行I/O,以及在最后释放元数据和缓冲区。增加I/O尺寸是应用程序提高吞吐量的常用策略。
2.缓存
操作系统用缓存提高文件系统的读性能和内存的分配性能,应用程序使用缓存也处于类似的原因。将经常执行的操作结果保存在本地缓存中以备后用，而非总是执行开销较高的操作。
3.缓冲区
为了提高写操作性能，数据在送入下一层级之前会合并并放在缓冲区中。这样会增加写延时，因为第一次写入缓冲区后，在发送之前，还要等待后续的写入。
4. 并发和并行
并行：装在和开始执行多个可运行程序的能力（比如,同时接电话和吃饭）。为了利用多核处理器系统的优势，应用程序需要在同一时间运行在多颗CPU上,这种方式称为并行。应用程序通过多进程或多线程实现。
并发：有处理多个任务的能力，不一定要同时。比如,接完电话在去吃饭,存在资源抢占;
同步原语：同步原语监管内存的访问,当不允许访问时，就会引起等待时间(延时)。常见三种类型：
mutex锁：只有锁持有者才能操作，其他线程会阻塞并等待CPU；
自旋锁：自旋锁允许锁持有者操作，其他的需要自旋锁的线程会在CPU上循环自选,检查锁是否被释放。虽然这样可以提供低延时的访问，被阻塞的线程不会离开CPU，时刻准备着运行知道锁可用，但是线程自旋、等待也是对CPU资源的浪费。
读写锁：读/写锁通过允许多个读者或者只允许一个写者而没有读者，来保证数据的完整性。
自适应自旋锁：低延迟的访问而不浪费CPU资源，是mutex锁和自旋锁的混合。
5.绑定CPU
关于CPU性能分析
uptime:
系统负载，通过汇总正在运行的线程数和正在排队等待运行的线程数计算得出。分别反映1/5/15分钟以内的负载。现在的平均负载不仅用来表示CPU余量或者饱和度，也不能单从这个值推断出CPU或者磁盘负载。
vmstat:
虚拟内存统计信息命令。最后几列打印系统全局范围内的CPU使用状态，在第一列显示可运行进程数。如下所示：
[root@zbredis-30104 ~]# vmstat 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 14834208 158384 936512 0 0 0 0 1 3 0 0 100 0 0
提示：
r: 运行队列长度和正在运行的线程数；
b: 表示阻塞的进程数；
swpd: 虚拟内存已使用的大小，如果大于0，表示你的机器物理内存不足了，如果不是程序内存泄露的原因，那么你该升级内存了或者把耗内存的任务迁移到其他机器；
si: 每秒从磁盘读入虚拟内存的大小，如果这个值大于0，表示物理内存不够用或者内存泄露了，要查找耗内存进程解决掉。我的机器内存充裕，一切正常。
so: 每秒虚拟内存写入磁盘的大小，如果这个值大于0，同上；
bi: 块设备每秒接收的块数量，这里的块设备是指系统上所有的磁盘和其他块设备，默认块大小是1024byte，我本机上没什么IO操作，所以一直是0，但是我曾在处理拷贝大量数据(2-3T)的机器上看过可以达到140000/s，磁盘写入速度差不多140M每秒；
bo: 块设备每秒发送的块数量，例如我们读取文件，bo就要大于0。bi和bo一般都要接近0，不然就是IO过于频繁，需要调整；
in: 每秒CPU的中断次数，包括时间中断；
cs: 每秒上下文切换次数，例如我们调用系统函数，就要进行上下文切换，线程的切换，也要进程上下文切换，这个值要越小越好，太大了，要考虑调低线程或者进程的数目,例如在apache和nginx这种web服务器中，我们一般做性能测试时会进行几千并发甚至几万并发的测试，选择web服务器的进程可以由进程或者线程的峰值一直下调，压测，直到cs到一个比较小的值，这个进程和线程数就是比较合适的值了。系统调用也是，每次调用系统函数，我们的代码就会进入内核空间，导致上下文切换，这个是很耗资源，也要尽量避免频繁调用系统函数。上下文切换次数过多表示你的CPU大部分浪费在上下文切换，导致CPU干正经事的时间少了，CPU没有充分利用，是不可取的。
st: cpu在虚拟化环境上在其他租户上的开销;
mpstat:
多处理器统计信息工具，能够报告每个CPU的统计信息。
[root@zbredis-30104 ~]# mpstat -P ALL 1 Linux 2.6.32-573.el6.x86_64 (zbredis-30104) 09/14/2017 _x86_64_ (12 CPU) 03:14:03 PM CPU %usr %nice %sys %iowait %irq %soft %steal %guest %idle 03:14:04 PM all 0.00 0.00 0.08 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 99.92 03:14:04 PM 0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00 03:14:04 PM 1 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00 03:14:04 PM 2 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00 03:14:04 PM 3 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00 03:14:04 PM 4 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00 03:14:04 PM 5 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00 03:14:04 PM 6 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00 03:14:04 PM 7 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00 03:14:04 PM 8 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00 03:14:04 PM 9 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00 03:14:04 PM 10 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00 03:14:04 PM 11 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00
提示：
irq: 硬件中断CPU用量；
sofr: 软件中断CPU用量；
steal: 耗费在服务其他租户的时间；
guest: 花在访客虚拟机的时间；
重要关注列有%user/%sys/%idle。显示了每个CPU的用量以及用户态和内核态的时间比例。可以根据这些值查看那些跑到100%使用率（%user + %sys）的CPU，而其他CPU并未跑满可能是由单线程应用程序的负载或者设备中断映射造成。
sar:
系统活动报告器。用来观察当前的活动，以及配置用以归档和报告历史统计信息。基本上所有资源使用的信息，它都能够查看到。具体的参数说明如下所示：
-A: 所有报告的总和,类似"-bBdqrRSuvwWy -I SUM -I XALL -n ALL -u ALL -P ALL"参数一起使用；
-b: 显示I/O和传输速率的统计信息；
-B：显示分页状态；
-d：硬盘使用报告；
-r：内存和交换空间的使用统计；
-g：串口I/O的情况；
-b：缓冲区使用情况；
-a：文件读写情况；
-c：系统调用情况；
-n: 统计网络信息；
-q：报告队列长度和系统平均负载；
-R：进程的活动情况；
-y：终端设备活动情况；
-w：系统交换活动；
-x { pid | SELF | ALL }：报告指定进程ID的统计信息，SELF关键字是sar进程本身的统计，ALL关键字是所有系统进程的统计；
常用参数组合：
查看CPU:
整体CPU统计— sar -u 3 2,表示采样时间为3秒,采样次数为2次；
各个CPU统计— sar -P ALL 1 1,表示采样时间为1秒,次数为1次；
1. 若 %iowait 的值过高，表示硬盘存在I/O瓶颈；
2. 若 %idle 的值高但系统响应慢时，有可能是 CPU 等待分配内存，此时应加大内存容量；
3. 若 %idle 的值持续低于1，则系统的 CPU 处理能力相对较低，表明系统中最需要解决的资源是 CPU；
查看内存:
查看内存使用情况 - sar -r 1 2
kbcommit：保证当前系统所需要的内存,即为了确保不溢出而需要的内存(RAM+swap)；
%commit：这个值是kbcommit与内存总量(包括swap)的一个百分比；
pidstat:主要用于监控全部或指定进程占用系统资源的情况，如CPU，内存、设备IO、任务切换、线程等。
cpu使用情况统计
执行 "pidstat -u" 与单独执行 "pidstat"
内存使用情况统计
pidstat -r -p PID 1
minflt/s: 每秒次缺页错误次数(minor page faults)，次缺页错误次数意即虚拟内存地址映射成物理内存地址产生的page fault次数;
majflt/s: 每秒主缺页错误次数(major page faults)，当虚拟内存地址映射成物理内存地址时，相应的page在swap中，这样的page fault为major page fault，一般在内存使用紧张时产生;
IO情况统计
pidstat -d 1 2
关于CPU方面的优化
1.编译器优化
2.调度优先级和调度类（设置nice值）
例如,nice -n 19 command
renice 更改已经运行进程的优先级；
chrt 命令显示并直接修改优先级和调度策略；
3.进程绑定（一个进程可以绑定在一个或者多个CPU上）
例如，taskset -pc 0-3 10790
4.独占CPU
5.BIOS调优
启用睿频
