Linux性能优化实战 —— CPU
2018-12-25 本文已影响0人
Blue_Eye
Linux性能分析概要
1. 性能指标
linux性能指标.png
随着应用负载的增加，系统资源的使用也会升高，甚至达到极限。而性能问题的本质，就是系统资源已经达到瓶颈，但请求的处理却还不够快，无法支撑更多的请求。
性能分析，其实就是找出应用或系统的瓶颈，并设法去避免或者缓解它们，从而更高效地利用系统资源处理更多的请求。这包含了一系列步骤，比如：
- 选择指标评估应用程序和系统的性能
- 为应用程序和系统设置性能目标
- 进行性能基准测试
- 性能分析定位瓶颈
- 优化系统和应用程序
- 性能监控和告警
2. linux性能工具图谱
linux性能工具图谱.png
3. linux性能优化思维导图
linux性能优化思维导图.png
平均负载
1. 什么是平均负载？
平均负载：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： 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： 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. 平均负载为多少时合理
- 平均负载最理想的情况是等于 CPU 个数。
查看系统有几个CPU
$ grep 'model name' /proc/cpuinfo | wc -l
2
-
uptime给了我们三个不同时间间隔的平均值，给我们提供了分析系统负载趋势的数据来源，让我们更全面、更立体地理解目前的负载情况。-
1 分钟、5 分钟、15 分钟的三个值基本相同，或者相差不大，说明系统负载很平稳。 - 如果
1 分钟的值远小于15 分钟的值，说明系统最近 1分钟的负载在减少，而过去15 分钟内却有很大的负载 - 如果
1 分钟的值远大于15 分钟的值，就说明最近 1 分钟的负载在增加。一旦1 分钟的平均负载接近或超过了 CPU 的个数，就意味着系统正在发生过载的问题。
-
3. 平均负载与CPU使用率
平均负载不仅包括了正在使用 CPU 的进程，还包括了等待CPU和等待 I/O的进程。
CPU使用率是指单位时间内 CPU 繁忙情况的统计，跟平均负载并不一定完全对应。比如：
- CPU 密集型进程，使用大量 CPU 会导致平均负载升高，此时这两者是一致的；
- I/O 密集型进程，等待 I/O 也会导致平均负载升高，但 CPU 使用率不一定很高
- 大量等待 CPU 的进程调度也会导致平均负载升高，此时的 CPU 使用率也会比较高。
4. 检查平均负载的工具
-
uptime： 当前时间、系统运行时间、正在登录用户数、过去1分钟、5分钟、15分钟的平均负载
$ uptime
00:19:43 up 2 min, 1 user, load average: 3.15, 1.54, 0.60
# -d 参数表示高亮显示变化的区域
$ watch -d uptime
Every 2.0s: uptime Wed Dec 26 00:21:14 2018
00:21:14 up 3 min, 1 user, load average: 0.87, 1.23, 0.58
-
mpstat： 查看 CPU 使用率的变化情况
# -P ALL 表示监控所有 CPU， 后面数字 5 表示间隔 5 秒输出一组数据
$ mpstat -P ALL 5
Linux 4.15.0-42-generic (c5220056-VirtualBox) 12/26/2018 _x86_64_ (2 CPU)
12:22:14 AM CPU %usr %nice %sys %iowait %irq %soft %steal %guest %gnice %idle
12:22:19 AM all 4.55 0.00 3.31 0.00 0.00 0.21 0.00 0.00 0.00 91.93
12:22:19 AM 0 4.32 0.00 3.50 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 92.18
12:22:19 AM 1 4.80 0.00 2.92 0.00 0.00 0.42 0.00 0.00 0.00 91.86
-
pidsta
查看进程 CPU 使用率情况
# 间隔 5 秒后输出一组数据
$ pidstat -u 5 1
Linux 4.15.0-42-generic (c5220056-VirtualBox) 12/26/2018 _x86_64_ (2 CPU)
12:24:54 AM UID PID %usr %system %guest %CPU CPU Command
12:24:59 AM 0 1392 0.00 0.20 0.00 0.20 1 kworker/u4:25
12:24:59 AM 0 5863 0.00 0.20 0.00 0.20 0 dockerd
12:24:59 AM 0 6097 0.00 0.20 0.00 0.20 1 docker-containe
12:24:59 AM 0 7341 1.20 2.20 0.00 3.39 1 Xorg
12:24:59 AM 1000 8425 7.78 0.60 0.00 8.38 1 compiz
12:24:59 AM 1000 8500 0.20 0.00 0.00 0.20 1 vmtoolsd
12:24:59 AM 1000 8808 0.80 0.20 0.00 1.00 0 gnome-terminal-
12:24:59 AM 1000 9563 0.00 0.40 0.00 0.40 0 pidstat
Average: UID PID %usr %system %guest %CPU CPU Command
Average: 0 1392 0.00 0.20 0.00 0.20 - kworker/u4:25
Average: 0 5863 0.00 0.20 0.00 0.20 - dockerd
Average: 0 6097 0.00 0.20 0.00 0.20 - docker-containe
Average: 0 7341 1.20 2.20 0.00 3.39 - Xorg
Average: 1000 8425 7.78 0.60 0.00 8.38 - compiz
Average: 1000 8500 0.20 0.00 0.00 0.20 - vmtoolsd
Average: 1000 8808 0.80 0.20 0.00 1.00 - gnome-terminal-
Average: 1000 9563 0.00 0.40 0.00 0.40 - pidstat
CPU 的上下文切换
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，需要系统事先给他设置好 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。
程序计数器：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，比如的依赖环境，因此也被叫做 CPU 上下文。
CPU 上下文.png
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。
， CPU 的上下文切换可以分为进程上下文切换、线程上下文切换以及中断上下文切换。
1. 进程上下文切换
Linux 按照特权等级，把进程的运行空间分为内核空间和用户空间
- 内核空间（Ring 0）具有最高权限，可以直接访问所有资源。
-
用户空间（Ring 3）只能访问受限资源，不能直接访问内存等硬件设备，必须通过系统调用陷入到内核中，才能访问这些特权资源。
Linux特权等级空间.png
进程上下文切换和系统调用的区别
进程是由内核来管理和调度的，进程的切换只能发生在内核态。所以，进程的上下文不仅包括了虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源，还包括了内核堆栈、寄存器等内核空间的状态。
系统调用过程中，并不涉及到虚拟内存等进程用户态的资源，也不会切换进程。
- 进程上下文切换，是指从一个进程切换到另一个进程进行。
- 系统调用过程中一直是同一个进程在运行。
因此，进程的上下文切换比系统调用时多了一步：在保存当前进程的内核状态和CPU寄存器之前，需要先把该进程的虚拟内存、栈等保存下来；而加载了下一个进程的内核态后，还需要刷新进程的虚拟内存和用户栈。
进程上下文切换.png
什么时候会切换进程上文
- 进程执行终止，它之前使用的 CPU 会释放出来，这时再从就绪队列里，拿一个新的进程过来运行。
- 当某个进程的时间片耗尽了，就会被系统挂起，切换到其他正在等待 CPU 的进程进行
- 进程在系统资源不足（比如内存不足）时，等到资源满足后才可以运行，这个时候进程也会被挂起，并由系统调度其他进程运行。
- 当进程通过睡眠函数 sleep 这样的方法将自己主动挂起时，自然也会重新调度。
- 当有优先级更高的进程运行时，为了保证高优先级进程的运行，当前进程会被挂起，由高优先级进程来运行。
- 发生硬件中断时，CPU 上的进程会被中断挂起，转而执行内核中的中断程序服务。
2. 线程上下文切换
线程和进程的区别
- 线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位。
- 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。
- 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。
线程的上下文切换两种情况
- 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的。
- 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。
3. 中断上下文切换
中断处理会打断进程的正常调度和执行。在打断其他进程时，需要将进程当前的状态保存下来，中断结束后，进程仍然可以从原来的状态恢复运行。
进程上下文切换和中断上下文切换的区别
- 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须的状态，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。
进程上下文切换和中断上文切换的相同之处
- 都需要消耗CPU，切换次数过多会耗费大量 CPU，甚至严重降低系统的整体性能。
4. CPU 上下文切换小结
- CPU 上下文切换，是保证 Linux 系统正常工作的核心功能之一，一般情况下不需要我们特别关注。
- 但过多的上下文切换，会把 CPU 时间消耗在寄存器、内核栈以及虚拟内存等数据的保存和恢复上，从而缩短进程真正运行的时间，导致系统的整体性能大幅下降。
如何查看系统的上下文切换情况
-
vmstat：常用的系统性能分析工具，主要用来分析系统的内存使用情况，也常用来分析 CPU 上下文切换和中断次数。
需要特别关注的四列内容：-
cs (context switch)：每秒上下文切换的次数。 -
in (interrupt)：每秒中断的次数。 -
r (Running or Runnable)：就绪队列的长度，也就是正在运行和等待 CPU 的进程数。 -
b (Blocked)：处在不可中断睡眠状态的进程数。
-
# 每隔 5 秒输出 1 组数据
$ vmstat 5
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 5014224 290736 2060812 0 0 33 37 100 327 6 1 92 0 0
1 0 0 5014204 290736 2060844 0 0 0 0 321 926 4 1 95 0 0
注：vmstat 只给出了系统总体的上下文切换情况
-
pidstat -w：查看每个进程的上下文切换情况
关注两列内容：-
cswch：每秒自愿上下文切换(voluntary context switches) 的次数。 -
nvcswch：每秒非自愿上下文切换(non voluntary context switches) 的次数。
概念： - 自愿上下文切换：进程无法获取所需资源，导致的上下文切换。比如， I/O、内存等系统资源不足时。
- 非自愿上下文切换：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，大量进程都在争抢 CPU 时。
-
# 每隔 5 秒输出 1 组数据
$ pidstat -w 5
Linux 4.15.0-42-generic (c5220056-VirtualBox) 12/26/2018 _x86_64_ (2 CPU)
05:47:58 AM UID PID cswch/s nvcswch/s Command
05:48:03 AM 0 7 0.20 0.00 ksoftirqd/0
05:48:03 AM 0 8 15.57 0.00 rcu_sched
05:48:03 AM 0 11 0.20 0.00 watchdog/0
05:48:03 AM 0 14 0.20 0.00 watchdog/1
注：pidstat默认显示进程的指标数据，加上 -t 参数后，才会输出线程的指标。
-
/proc/interrupts：查看中断发生的类型
# -d 参数表示高亮显示变化的区域
$ watch -d cat /proc/interrupts
根据上下文切换的类型做具体分析
- 自愿上下文切换变多，说明进程都在等待资源，有可能发生 I/O 等其他问题
- 非自愿上下文切换变多，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，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。
CPU 使用率
查看/proc/stat，提供的是系统的 CPU 和任务统计信息。
- 第一行没有编号的 cpu 表示的是所有 CPU 的累加
- 其他列则表示不同场景下 CPU 的累加节拍数，单位是
USER_HZ, 也就是 10 ms（1/100秒）
$ cat /proc/stat |grep ^cpu
cpu 3177 0 5996 34551 917 0 191 0 0 0
cpu0 1582 0 2980 17287 472 0 76 0 0 0
cpu1 1594 0 3016 17264 445 0 114 0 0 0
CPU使用率相关的重要指标
-
user（us），代表用户态 CPU 时间。 -
nice（ni），代表低优先级用户态 CPU 时间，也就是进程的nice值被调整为 1-19 之间时的 CPU 时间。nice可取值范围是 -20 到 19， 数值越大，优先级反而越低 -
system (sys)，代表内核态 CPU 时间。 -
idle（us），代表空闲时间。注意，这里它不包括等待 I/O 的时间（iowait）。 -
iowait(wa)，代表等待 I/O 的 CPU 时间。 -
irq(hi)，代表处理硬中断的 CPU 时间 -
softirq(si)，代表处理软中断的CPU 时间。 -
steal(st),代表当系统运行在虚拟机中的时候，被其他虚拟机占用的 CPU 时间。 - guest(guest)，代表通过虚拟化运行其他操作系统的时间，也就是运行虚拟机的 CPU 时间
-
giest_nice(gnice)，代表以低优先级运行虚拟机的时间。
CPU使用率的计算
CPU使用率的计算公式.png
查看 CPU 使用率
-
top：显示系统总体的CPU 和内存使用情况，以及各个进程的资源使用情况。 -
ps：只显示了每个进程的资源使用情况。
top 的输出：
# 默认每 3 秒刷新一次
top - 14:15:36 up 1:05, 1 user, load average: 0.27, 0.22, 0.15
Tasks: 248 total, 1 running, 179 sleeping, 0 stopped, 0 zombie
%Cpu(s): 1.2 us, 0.7 sy, 0.0 ni, 98.1 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
KiB Mem : 8168764 total, 6196696 free, 810812 used, 1161256 buff/cache
KiB Swap: 2095100 total, 2095100 free, 0 used. 7016500 avail Mem
PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND
8455 c5220056 20 0 1395968 229828 81832 S 3.0 2.8 4:44.39 compiz
6739 root 20 0 472636 106196 35576 S 1.7 1.3 0:30.13 Xorg
8751 c5220056 20 0 595952 35720 28220 S 0.7 0.4 0:01.41 gnome-terminal-
6033 root 20 0 568528 68736 39208 S 0.3 0.8 0:11.10 dockerd
10547 c5220056 20 0 49020 3868 3132 R 0.3 0.0 0:00.02 top
1 root 20 0 185428 6020 3968 S 0.0 0.1 0:04.82 systemd
2 root 20 0 0 0 0 S 0.0 0.0 0:00.03 kthreadd
4 root 0 -20 0 0 0 I 0.0 0.0 0:00.00 kworker/0:0H
6 root 0 -20 0 0 0 I 0.0 0.0 0:00.00 mm_percpu_wq
7 root 20 0 0 0 0 S 0.0 0.0 0:00.31 ksoftirqd/0
8 root 20 0 0 0 0 I 0.0 0.0 0:01.22 rcu_sched
9 root 20 0 0 0 0 I 0.0 0.0 0:00.00 rcu_bh
10 root rt 0 0 0 0 S 0.0 0.0 0:00.03 migration/0
11 root rt 0 0 0 0 S 0.0 0.0 0:00.01 watchdog/0
12 root 20 0 0 0 0 S 0.0 0.0 0:00.00 cpuhp/0
...
pidstat
# 每隔 1 秒输出一组数据，共输出 2 组
$ pidstat 1 2
Linux 4.15.0-43-generic (c5220056-VirtualBox) 12/27/2018 _x86_64_ (2 CPU)
02:17:31 PM UID PID %usr %system %guest %CPU CPU Command
02:17:32 PM 0 6739 0.99 1.98 0.00 2.97 0 Xorg
02:17:32 PM 1000 8455 8.91 0.00 0.00 8.91 1 compiz
02:17:32 PM 1000 8751 0.00 0.99 0.00 0.99 1 gnome-terminal-
02:17:32 PM 1000 10558 0.00 0.99 0.00 0.99 1 pidstat
02:17:32 PM UID PID %usr %system %guest %CPU CPU Command
02:17:33 PM 0 6739 0.00 4.00 0.00 4.00 1 Xorg
02:17:33 PM 1000 8455 11.00 2.00 0.00 13.00 0 compiz
02:17:33 PM 1000 8751 2.00 0.00 0.00 2.00 1 gnome-terminal-
02:17:33 PM 1000 10558 0.00 1.00 0.00 1.00 1 pidstat
Average: UID PID %usr %system %guest %CPU CPU Command
Average: 0 6739 0.50 2.99 0.00 3.48 - Xorg
Average: 1000 8455 9.95 1.00 0.00 10.95 - compiz
Average: 1000 8751 1.00 0.50 0.00 1.49 - gnome-terminal-
Average: 1000 10558 0.00 1.00 0.00 1.00 - pidstat
查看占用CPU的是代码里的哪个函数
-
perf top实时展示系统性能-
Overhead：是该符号的性能事件在所有采样中的比例，用百分比来表示。 -
Shared：该函数或指令所在的动态共享对象(Dynamic Shared Object)，如内核、进程名、动态链接库名、内核模块名等。 -
Object:动态共享对象的类型。比如[.]表示用户空间的可执行程序、或者动态链接库，而[k]则表示内核空间。 -
Symbol：函数名。当函数名未知时，用十六进制的地址来表示。
-
Samples: 2K of event 'cycles:ppp', Event count (approx.): 1330995812
Overhead Shared Object Symbol
9.20% [kernel] [k] module_get_kallsym
3.96% [kernel] [k] vsnprintf
2.73% [kernel] [k] format_decode
2.73% perf [.] 0x00000000001ea373
1.89% [kernel] [k] number
1.88% [kernel] [k] kallsyms_expand_symbol.constprop.1
1.69% perf [.] 0x00000000001f6368
1.69% [kernel] [k] memcpy_erms
1.43% perf [.] 0x00000000001f77d0
1.34% libc-2.27.so [.] __libc_calloc
1.24% [kernel] [k] string
-
perf record
离线保存系统的性能信息，按Ctrl+C终止采样 -
perf report
解析perf record保存的采样信息
Samples: 3K of event 'cycles:ppp', Event count (approx.): 1778811422
Overhead Command Shared Object Symbol
28.61% swapper [kernel.kallsyms] [k] intel_idle
4.44% Xorg [kernel.kallsyms] [k] pci_conf1_read
2.35% kworker/1:2 [kernel.kallsyms] [k] _nv029827rm
2.05% Xorg [kernel.kallsyms] [k] _nv029827rm
1.76% deepin-wm [kernel.kallsyms] [k] pci_conf1_read
1.61% deepin-wm [kernel.kallsyms] [k] _nv029827rm
1.09% irq/150-nvidia [kernel.kallsyms] [k] _nv029827rm
1.08% deepin-wm [kernel.kallsyms] [k] syscall_return_via_sysret
0.91% swapper [unknown] [k] 0000000000000000
0.71% Xorg [kernel.kallsyms] [k] _nv018294rm
0.41% swapper [kernel.kallsyms] [k] update_load_avg
0.33% Xorg [vdso] [.] 0x0000000000000977
- 一般使用的时候会加上
-g参数以开启调用关系的采样
Samples: 36K of event 'cycles:ppp', Event count (approx.): 7290912532
Children Self Shared Object Symbol
- 15.23% 1.57% [unknown] [k] 0000000000000000
- 7.58% 0
+ 12.19% 0.14% [kernel] [k] entry_SYSCALL_64_after_hwframe
- 12.01% 0.28% [kernel] [k] do_syscall_64
- 3.03% do_syscall_64
- 8.65% 0.16% [kernel] [k] do_idle
- 1.75% do_idle
+ 4.22% 0.02% [kernel] [k] call_cpuidle
+ 4.09% 0.22% [kernel] [k] cpuidle_enter_state
+ 4.01% 0.02% [kernel]
进程 PID 在变的原因
- 第一个原因，进程在不停的崩溃重启，比如因为段错误、配置错误等等，这时，进程在退出后可能又被监控系统自动重启了
- 第二个原因，这些进程都是短时进程，也就是在其他应用内部通过
exec调用的外面命令。这些命令一般都只运行很短的时间就会结束，你很难用top这种间隔时间比较长的工具发现。
查找一个进程的父进程
pstree
$ pstree | grep stress
|-docker-containe-+-php-fpm-+-php-fpm---sh---stress
| |-3*[php-fpm---sh---stress---stress]
小结
- 用户 CPU 和 Nice CPU 高，说明用户态进程占用了较多的CPU，所以应该着重排查进程的性能问题。
- 系统 CPU 高，说明内核态占用了较多的 CPU，所以应该着重排查内核线程或者系统调用的性能问题。
- I/O 等待 CPU 高，说明等待 I/O 的时间比较长，所以应该着重排查系统存储是不是出现了I/O问题。
- 软中断和硬中断高，说明软中断或硬中断的处理程序占用了较多的CPU，所以应该着重排查内核中的中断服务程序。
- 碰到常规问题无法解释的 CPU 使用率情况时，首先要想到有肯呢个是短时应用导致的问题，比如
- 第一，应用里直接调用了其他二进制程序，这些程序通常运行时间比较短，通过
top等工具也不容易发现。 - 第二，应用本身在不停地崩溃重启，而启动过程的资源初始化，很可能会占用相当多的 CPU。
- 第一，应用里直接调用了其他二进制程序，这些程序通常运行时间比较短，通过
不可中断进程和僵尸进程
进程状态
-
R：Running或Runnable的缩写，表示进程在 CPU 的就绪队列中，正在运行或者正在等待运行。 -
D：Disk Sleep的缩写，也就是不可中断状态睡眠（Uninterruptible Sleep），一般表示进程正在跟硬件交互，并且交互过程不允许被其他进程中断打断。 -
Z：Zombie的缩写，表示僵尸进程，也就是进程实际上已经结束了，但是父进程还没有回收它的资源（比如进程的描述符、PID等）。 -
S:Interruptible Sleep的缩写，也就是可中断状态睡眠，表示进程因为等待某个事件而被系统挂起。 -
I：Idle的缩写，也就是空闲状态，用在不可中断睡眠的内核线程上。
-T/t：Stopped或Traced的缩写，表示进程处于暂停或者跟踪状态。 -
X：Dead的缩写，表示进程已经消亡，所以你不会在top或者ps命令中看到它。
正常情况下，当一个进程创建了子进程后，它应该通过系统调用 wait() 或者 waitpid()等待子进程结束，回收子进程的资源；而子进程在结束时，会向它的父进程发送 SIGCHLD 信号，所以，父进程还可以注册SIGCHLD 信号的处理函数，异步回收资源。
如果父进程没这么快，或是子进程执行太快，父进程还没来得及处理子进程状态，子进程就已经提前退出，那这时的子进程就会变成僵尸进程。
通常，僵尸进程持续的时间都比较短，在父进程回收它的资源后就会消亡；或者在父进程退出后，由init进程回收后也会消亡。
一旦父进程没有处理子进程的终止，还一直保持运行状态，那么子进程就会一直处于僵尸状态。
进程组和会话
- 进程组：表示一组相互关联的进程，比如每个子进程都是父进程所在组的成员。
- 会话：指共享一个控制中断的一个或多个进程组。
找到僵尸进程父进程
pstree
pstree -aps 10183
systemd,1 splash
└─dockerd,5962 -H fd://
└─docker-containe,6151 --config /var/run/docker/containerd/containerd.toml
└─docker-containe,10026 -namespace moby -workdir...
└─app,10055
└─(app,10183)
小结
- 不可中断状态，表示进程正在跟硬件交互，为了保护进程数据和硬件的一致性，系统不允许其他进程或中断打断这个进程。进程长时间处于不可中断状态，通常表示系统有 I/O 性能问题。
- 僵尸进程表示进程已经退出，但它的父进程还没有回收子进程占用的资源。短暂的僵尸状态我们通常不必理会，但进程长时间处于僵尸状态，就应该注意了，可能有应用程序没有正常处理子进程的退出。
- iowait 高不一定代表 I/O 有性能瓶颈。当系统中只有 I/O 类型的进程在运行时，iowait 也会很高，但实际上，磁盘的读写远没有达到性能瓶颈的程度。
- 碰到 iowait 升高时，需要先用 dstat、pidstat 等工具，确认是不是磁盘 I/O 的问题，然后再找是哪些进程导致了 I/O。等待 I/O 的进程一般是不可中断状态，所以用
ps命令找到 D 状态（即不可中断状态）的进程，多为可疑进程。
Linux 软中断
中断是一种异步的事件处理机制，可以提高系统的并发处理能力。中断处理程序会打断其他进程的运行，为了减少对正常进程运行调度的影响，中断处理程序就需要尽可能快地运行。
Linux 将中断处理过程分成了两个阶段，也就是上半部和下半部。
- 上半部用来快速处理中断，它在中断禁止模式下运行，主要处理跟硬件紧密相关的或时间敏感的工作。
- 下半部用来延时处理上半部未完成的工作，通常以内核线程的方式运行。
查看软中断和内核线程
proc文件系统是一种内核空间和用户空间进行通信的机制，可以用来查看内核的数据结构，或者用来动态修改内核的配置。
-
/proc/softirqs提供了软中断的运行情况。 -
/proc/interrupts提供了硬中断的运行情况。
在查看/proc/softirqs时，要特别注意：
# cat /proc/softirqs
CPU0 CPU1
HI: 0 0
TIMER: 121964 112390
NET_TX: 518 13
NET_RX: 437 3263
BLOCK: 263737 361157
IRQ_POLL: 0 0
TASKLET: 48 1811
SCHED: 65984 49594
HRTIMER: 0 0
RCU: 80938 78628
- 注意软中断的类型，也就是第一列内容。
- 注意同一种软中断在不同 CPU 上的分步情况，也就是同一行内容。
- 软中断实际上是以内核线程的方式运行的，每个 CPU 都对应一个软中断内核先后才能，这个软中断内核线程就叫做
ksoftirqd/CPU编号。
查看线程运行状况
ps
# ps aux|grep softirq
root 7 1.5 0.0 0 0 ? S 04:25 0:45 [ksoftirqd/0]
root 16 1.6 0.0 0 0 ? S 04:25 0:47 [ksoftirqd/1]
检查网络接收的软中断
-
sar：用来查看系统的网络收发情况。不仅可以观察网络收发的吞吐量（BPS，每秒收发的字节数），还可以观察网络收发的PPS，即每秒收发的网络帧数。
# -n DEV 表示显示网络收发的报告，间隔 1 秒输出一组数据
$ sar -n DEV 1
15:03:46 IFACE rxpck/s txpck/s rxkB/s txkB/s rxcmp/s txcmp/s rxmcst/s %ifutil
15:03:47 eth0 12607.00 6304.00 664.86 358.11 0.00 0.00 0.00 0.01
15:03:47 docker0 6302.00 12604.00 270.79 664.66 0.00 0.00 0.00 0.00
15:03:47 lo 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
15:03:47 veth9f6bbcd 6302.00 12604.00 356.95 664.66 0.00 0.00 0.00 0.05
第一列：表示报告的时间
第二列：IFACE 表示网卡
第三、四列：rxpck/s 和 txpck/s 分别表示每秒接收、发送的网络帧数，也就是PPS。
第五、六列：rxkB/s 和 txkB/s 分别表示每秒接收、发送的千字节数，也就是 BPS
tcpdump
# -i eth0 只抓取 eth0 网卡，-n 不解析协议名和主机名
# tcp port 80 表示只抓取 tcp 协议并且端口号为 80 的网络帧
$ tcpdump -i eth0 -n tcp port 80
15:11:32.678966 IP 192.168.0.2.18238 > 192.168.0.30.80: Flags [S], seq 458303614, win 512, length 0
...
如何快速分析出系统 CPU 的瓶颈
CPU 性能指标
1. CPU 使用率
CPU使用率描述了非空闲时间占总 CPU 时间的百分比，根据 CPU 上运行任务的不同，又被分为用户 CPU、系统 CPU、等待 I/O CPU、软中断和硬中断等。
- 用户 CPU 使用率，包括用户态 CPU 使用率(user) 和低优先级用户态 CPU 使用率(nice)，表示 CPU 在用户态运行的时间百分比。用户 CPU 使用率高，通常说明有应用程序比较繁忙。
- 系统 CPU 使用率，表示 CPU 在内核态运行的时间百分比（不包括中断）。系统 CPU 使用率高，说明内核比较繁忙。
- 等待 I/O 的 CPU 使用率，通常也称为 iowait，表示等待 I/O 的时间百分比。iowait 高，通常说明系统与硬件设备的 I/O 交互时间比较长。
- 软中断和硬中断的 CPU 使用率，分别表示内核调用软中断处理程序、硬中断处理程序的时间百分比。它们的使用率高，通常说明系统发生了大量的中断。
- 除了上面这些，还有在虚拟环境中会用到的窃取 CPU 使用率(steal)和用户 CPU 使用率（guest），分别表示被其他虚拟机占用的 CPU 时间百分比，和运行客户虚拟机的 CPU 时间百分比。
2. 平均负载（Load Average）
平均负载，也就是系统的平均活跃进程数，它反映了系统的整体负载情况，主要包括三个数值，分别指过去 1 分钟、过去 5 分钟和过去 15 分钟的平均复制子。
理想情况下，平均负载等于逻辑 CPU 个数，这表示每个 CPU 都恰好被充分利用。如果平均负载大于逻辑 CPU 个数，就表示负载比较重了。
3.进程上下文切换
- 无法获取资源而导致的自愿上下文切换。
- 被系统强制调度导致的非自愿上下文切换。
4.CPU 缓存的命中率
由于 CPU 发展的速度远快于内存的发展， CPU 的处理速度就比内存的访问速度快得多。这样，CPU 在访问内存的时候，免不了要等待内存的响应。为了协调这两者巨大的性能差距，CPU缓存（通常是多级缓存）就出现了。
CPU 缓存.png
根据不断增长的热点数据，这些缓存按照大小不同分为L1、L2、L3等三级缓存，其中 L1 和 L2 常用在单核中，L3则用在多核中。
从 L1 到 L3，三级缓存的大小依次增大，相应的，性能依次降低（当然比内存还是好得多）。而它们的命中率，衡量的是 CPU 缓存的复用情况，命中率越高，则表示性能越好。
CPU性能指标思维导图
CPU性能指标
性能工具
第一个维度：从 CPU 的性能指标出发
从 CPU 的性能指标出发。也就是说，当你要查看某个性能指标时，要清楚知道哪些工具可以做到。
根据指标找工具（CPU性能）
第二个维度：从工具出发
从工具出发。也就是当你已经安装了某个工具后，要知道这个工具能提供哪些指标。
根据工具查指标（CPU性能）
快速分析 CPU 的性能瓶颈
想弄清楚性能指标的关联性，就要通晓每个性能指标的工作原理。
为了缩小排查范围，我通常会先运行几个支持指标较多的工具，如top、vmstat、pidstat。
关系图
CPU 性能优化的几个思路
怎么评估性能优化的效果
三步走：
- 确定性能的量化指标
- 测试优化前的性能指标。
- 测试优化后的性能指标。
多个性能问题同时存在，要怎么选择？
并不是所有的性能问题都值得优化。
第一，如果发现是系统资源达到了瓶颈，比如CPU使用率达到了 100%，那么首先优化的一定是系统资源使用问题。完成系统资源瓶颈的优化后，我们吃爱要考虑其他问题。
第二，针对不同类型的指标，首先去优化哪些由瓶颈导致的，性能指标变化幅度最大的问题。比如产生瓶颈后，用户 CPU 使用率升高了10%，而系统系统CPU使用率却升高了50%，这个时候就应该首先优化系统 CPU 使用率。
有多种优化方法时，要如何选择？
性能优化并非没有成本。性能优化通常会带来复杂度的提升，降低程序的可维护性，还可能在优化一个指标时，引发其他指标的异常。
CPU 优化
应用程序优化
从应用程序的角度来说，降低 CPU 使用率最好的方法是，排除所有不必要的工作，只保留最核心的逻辑。比如减少循环层次、减少递归、减少动态内存分配等等。
常见的几种应用程序的性能优化方法：
- 编译器优化：很多编译器都会提供优化选项，适当开启它们，在编译阶段你就可以获得编译器的帮助，来提升性能。
- 算法优化：使用异步处理，可以避免程序因为等待某个资源而一直阻塞，从而提升程序的并发处理能力。
- 多线程代替多进程：线程的上下文切换并不切换进程地址空间，因此可以降低上下文切换的成本。
- 善用缓存：经常访问的数据或者计算过程中的不走，可以放在内存中缓存起来，这样在下次用时可以直接从内存中获取，加快程序的处理速度。
系统优化
从系统的角度来说，优化 CPU 的运行，一方面要充分利用 CPU 缓存的本地性，加速缓存访问；另一方面，就是要控制进程的 CPU 使用情况，减少进程间的相互影响。
常见的方法：
- CPU 绑定：把进程绑定到一个或者多个 CPU 上，可以提高 CPU 缓存的命中率，减少跨 CPU 调度带来的上下文切换问题。
- CPU 独占：跟 CPU 绑定类似，进一步将 CPU 分组，并通过 CPU 亲和性机制为其分配进程。这样，这些 CPU 就由指定的进程独占，换句话说，不允许其他进程再来使用这些 CPU。
- 优先级调整：使用 nice 调整进程的优先级，正值调低优先级，负值调高优先级。
- 为进程设置资源限制：使用
Linux cgroups来设置进程的 CPU 使用上线，可以防止由于某个应用自身的问题，而耗尽系统资源。 - NUMA(Non-Uniform Memory Access)优化：支持 NUMA 的处理器会被划分为多个 node，每个 node 都有自己的本地内存空间。 NUMA 优化，其实就是让 CPU 尽可能只访问本地内存。
- 中断负载均衡：无论是软中断还是硬中断，它们的中断处理程序都可能消耗大量的 CPU。开启
irqbalance服务或者配置smp_affinity，就可以把中断处理过程自动负载均衡到多个CPU上。
