嵌入式实践教程--Linux性能优化实战之CPU知识基础篇

简介: 嵌入式实践教程--Linux性能优化实战之CPU知识基础篇

一、平均负载



1、基础知识


$ uptime
02:34:03 up 2 days, 20:14,  1 user,  load average: 0.63, 0.83, 0.88


0.63、0.83,、0.88:过去1、5、15分钟的平均负载


简单来说,平均负载是指单位时间内,系统处于可运行状态和不可中断状态的平均进程数,也就是平均活跃进程数,它和 CPU 使用率并没有直接关系。可运行状态的进程,是指正在使用 CPU 或者正在等待 CPU 的进程,也就是我们常用 ps 命令看到的,处于 R 状态(Running 或 Runnable)的进程。不可中断状态的进程则是正处于内核态关键流程中的进程,并且这些流程是不可打断的,比如最常见的是等待硬件设备的 I/O 响应,也就是我们在 ps 命令中看到的 D 状态(Uninterruptible Sleep,也称为 Disk Sleep)的进程。


2、CPU使用率


平均负载是指单位时间内,处于可运行状态和不可中断状态的进程数。所以,它不仅包括了正在使用 CPU 的进程,还包括等待 CPU 和等待 I/O 的进程。而 CPU 使用率,是单位时间内 CPU 繁忙情况的统计,跟平均负载并不一定完全对应。


3、平均负载案例分析


预先安装 stress 和 sysstat 包,如 apt install stress sysstat


(1)模拟CPU密集型


第一个终端输入stress --cpu 1 --timeout 600用于模拟CPU满载的场景,在第二个终端输入watch -d uptime,可以看到平均负载的动态变化。


image.png


在第三个终端输入mpstat -P ALL 5


image.png

image.png


(2)模拟IO密集型


第一个终端输入stress -i 1 --timeout 600 ,第二个终端输入watch -d uptime,第三个终端输入mpstat -P ALL 5 1,再输入pidstat -u 5 1查看导致的进程


-i 表示IO模拟


二、CPU上下文切换



在每个任务运行前,CPU 都需要知道任务从哪里加载、又从哪里开始运行,也就是说,需要系统事先帮它设置好 CPU 寄存器和程序计数器(Program Counter,PC)。CPU 寄存器,是 CPU 内置的容量小、但速度极快的内存。而程序计数器,则是用来存储 CPU 正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置。它们都是 CPU 在运行任何任务前,必须的依赖环境,因此也被叫做 CPU 上下文CPU 上下文切换,就是先把前一个任务的 CPU 上下文(也就是 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这些寄存器和程序计数器,最后再跳转到程序计数器所指的新位置,运行新任务。


根据任务的不同,CPU 的上下文切换就可以分为几个不同的场景,也就是进程上下文切换、线程上下文切换以及中断上下文切换


image.png


1、进程上下文切换


进程既可以在用户空间运行,又可以在内核空间中运行。进程在用户空间运行时,被称为进程的用户态,而陷入内核空间的时候,被称为进程的内核态。


从用户态到内核态的转变,需要通过系统调用来完成


image.png


Linux 通过 TLB(Translation Lookaside Buffer)来管理虚拟内存到物理内存的映射关系。当虚拟内存更新后,TLB 也需要刷新,内存的访问也会随之变慢。特别是在多处理器系统上,缓存是被多个处理器共享的,刷新缓存不仅会影响当前处理器的进程,还会影响共享缓存的其他处理器的进程


2、 线程上下文切换


说完了进程的上下文切换,我们再来看看线程相关的问题。线程与进程最大的区别在于,线程是调度的基本单位,而进程则是资源拥有的基本单位。说白了,所谓内核中的任务调度,实际上的调度对象是线程;而进程只是给线程提供了虚拟内存、全局变量等资源。所以,对于线程和进程,我们可以这么理解:当进程只有一个线程时,可以认为进程就等于线程。当进程拥有多个线程时,这些线程会共享相同的虚拟内存和全局变量等资源。这些资源在上下文切换时是不需要修改的。另外,线程也有自己的私有数据,比如栈和寄存器等,这些在上下文切换时也是需要保存的。这么一来,线程的上下文切换其实就可以分为两种情况:第一种, 前后两个线程属于不同进程。此时,因为资源不共享,所以切换过程就跟进程上下文切换是一样。第二种,前后两个线程属于同一个进程。此时,因为虚拟内存是共享的,所以在切换时,虚拟内存这些资源就保持不动,只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据。到这里你应该也发现了,虽然同为上下文切换,但同进程内的线程切换,要比多进程间的切换消耗更少的资源,而这,也正是多线程代替多进程的一个优势。


3、中断上下文切换


除了前面两种上下文切换,还有一个场景也会切换 CPU 上下文,那就是中断。为了快速响应硬件的事件,中断处理会打断进程的正常调度和执行,转而调用中断处理程序,响应设备事件。而在打断其他进程时,就需要将进程当前的状态保存下来,这样在中断结束后,进程仍然可以从原来的状态恢复运行。跟进程上下文不同,中断上下文切换并不涉及到进程的用户态。所以,即便中断过程打断了一个正处在用户态的进程,也不需要保存和恢复这个进程的虚拟内存、全局变量等用户态资源。中断上下文,其实只包括内核态中断服务程序执行所必需的状态,包括 CPU 寄存器、内核堆栈、硬件中断参数等。对同一个 CPU 来说,中断处理比进程拥有更高的优先级,所以中断上下文切换并不会与进程上下文切换同时发生。同样道理,由于中断会打断正常进程的调度和执行,所以大部分中断处理程序都短小精悍,以便尽可能快的执行结束。另外,跟进程上下文切换一样,中断上下文切换也需要消耗 CPU,切换次数过多也会耗费大量的 CPU,甚至严重降低系统的整体性能。所以,当你发现中断次数过多时,就需要注意去排查它是否会给你的系统带来严重的性能问题。


4、如何查看上下文切换

vmstat 5

image.png


cs(context switch)是每秒上下文切换的次数。in(interrupt)则是每秒中断的次数。r(Running or Runnable)是就绪队列的长度,也就是正在运行和等待 CPU 的进程数。b(Blocked)则是处于不可中断睡眠状态的进程数。


vmstat 只给出了系统总体的上下文切换情况,要想查看每个进程的详细情况,就需要使用我们前面提到过的 pidstat 了。给它加上 -w 选项,你就可以查看每个进程上下文切换的情况了。


image.png


cswch ,表示每秒自愿上下文切换(voluntary context switches)的次数,

nvcswch ,表示每秒非自愿上下文切换(non voluntary context switches)的次数。


所谓自愿上下文切换,是指进程无法获取所需资源,导致的上下文切换。比如说, I/O、内存等系统资源不足时,就会发生自愿上下文切换。


而非自愿上下文切换,则是指进程由于时间片已到等原因,被系统强制调度,进而发生的上下文切换。比如说,大量进程都在争抢 CPU 时,就容易发生非自愿上下文切换。


5、上下文切换模拟


sysbench --threads=10 --max-time=300 threads run


image.pngimage.png


如图


1、cs列的上下文切换次数由几千骤升到63W次

2、r列就绪列的长度达到了11 超过了本机8个核心,因此一定会造成CPU的竞争

3、us和sy这两个CPU使用率的和接近80%,几乎都被内核所占用

4、in列中断高达6000多次,说明CPU的中断处理是一个问题。


image.pngimage.pngimage.png


pidstat 的输出可以发现,CPU 使用率的升高果然是 sysbench 导致的,它的 CPU 使用率已经达到了 100%。但上下文切换则是来自其他进程,包括非自愿上下文切换频率最高的 pidstat ,以及自愿上下文切换频率最高的内核线程 kworker 和 sshd。


发现了一个怪异的事儿:pidstat 输出的上下文切换次数,加起来也就几百,比 vmstat 的 139 万明显小了太多。这是怎么回事呢?


pidstat -wt 1

image.png


sysbench 进程(也就是主线程)的上下文切换次数看起来并不多,但它的子线程的上下文切换次数却有很多。看来,上下文切换罪魁祸首,还是过多的 sysbench 线程。怎样才能知道中断发生的类型呢?


没错,那就是从 /proc/interrupts 这个只读文件中读取。/proc 实际上是 Linux 的一个虚拟文件系统,用于内核空间与用户空间之间的通信。/proc/interrupts 就是这种通信机制的一部分,提供了一个只读的中断使用情况。


watch -d cat /proc/interrupts


image.png


可以发现,变化速度最快的是重调度中断(RES),这个中断类型表示,唤醒空闲状态的 CPU 来调度新的任务运行。这是**多处理器系统(SMP)**中,调度器用来分散任务到不同 CPU 的机制,通常也被称为处理器间中断(Inter-Processor Interrupts,IPI)。


自愿上下文切换变多了,说明进程都在等待资源,有可能发生了 I/O 等其他问题;非自愿上下文切换变多了,说明进程都在被强制调度,也就是都在争抢 CPU,说明 CPU 的确成了瓶颈;中断次数变多了,说明 CPU 被中断处理程序占用,还需要通过查看 /proc/interrupts 文件来分析具体的中断类型。

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