Linux 性能监测：CPU

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：

1. 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；
2. 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）；
3. 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：

1. context switch（cs）比 interrupts（in）要高得多，说明内核不得不来回切换进程；
2. 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）；
3. 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