CPU監控分析

阿新 • • 發佈：2022-03-03

名稱	初始安裝	說明
uptime	√	顯示系統執行時間和cpu負載情況
top	√	可以實時動態地檢視系統的整體執行情況
htop	×	top高階版
mpstat	×	多核cpu效能分析工具，實時檢視每個cpu的效能指標，以及所有cpu的平均指標
vmstat	√	檢視系統的整體使用情況
iostat	×	檢視cpu和磁碟io使用情況
pidstat	×	程序效能分析工具，實時檢視cpu、記憶體、I/O以及上下文切換等效能指標
strace	√	程式除錯工具，用來監察一個應用程式所使用的系統呼叫
perf	×	內置於Linux 核心原始碼樹中的效能剖析（profiling）工具

平均負載

獲取cpu平均負載的命令uptime或top，輸出格式為：load average: 0.00, 0.11, 0.13，代表了1分鐘，5分鐘，15分鐘內的平均負載（Load Average）；

平均負載：單位時間內，系統處於可執行狀態和不可中斷狀態的平均程序數，也就是平均活躍程序數，它和cpu使用率沒有直接的關係；
可執行狀態的程序：正在使用cpu或者正在等待cpu的程序，也就是ps命令中處於R狀態（Running或Runnable）的程序；
不可中斷狀態的程序：正處於核心態的關鍵流程中的程序，並且這些程序不可打斷，比如常見的等待硬體裝置I/O響應，也就是ps命令中處於D狀態（Uninterruptible Sleep或Disk Sleep）的程序；

平均負載最理想的情況是等於cpu個數，如果超過cpu個數，則系統出現了過載。

CPU使用率

獲取cpu使用率的命令有：top、vmstat、mpstat、iostat；
引數含義：
- usr（us）: 表示使用者空間程式的cpu使用率（沒有通過nice排程）;
- sys（sy）: 表示系統空間的cpu使用率，主要是核心程式；
- nice（ni）: 表示使用者空間且通過nice排程過的程式的cpu使用率；
- idle（id）: CPU空閒時間佔比;
- iowait（wa）: CPU等待IO佔比；
- irq（hi）: CPU處理硬中斷佔比；
- soft（si）: CPU處理軟中斷佔比；
- steal（st）：虛擬CPU無意識等待系統程式處理另外的虛擬處理器所花費時間的百分比。

cpu使用率：單位時間內cpu繁忙情況的統計和平均負載並不一定完全對應
- cpu密集型程序：使用大量cpu會導致平均負載升高，此時cpu使用率也在升高；
- I/O密集型程序：大量I/O操作的程序，等待I/O會導致平均負載升高，但cpu使用率不一定很高；
- 大量等待cpu的程序排程也會導致平均負載升高，此時cpu使用率也會比較高。

上下文切換

Linux 是一個多工作業系統，它支援遠大於CPU數量的任務同時執行，這些任務實際上並不是真的在同時執行，而是因為系統在很短的時間內，將CPU輪流分配給它們，造成多工同時執行的錯覺；
每個任務執行前，CPU都需要知道任務從哪裡載入、又從哪裡開始執行，也就是說，需要系統事先幫它設定好CPU暫存器和程式計數器（Program Counter，PC）；
- CPU暫存器，是 CPU 內建的容量小、但速度極快的記憶體；
- 程式計數器，則是用來儲存CPU正在執行的指令位置、或者即將執行的下一條指令位置。它們都是CPU在執行任何任務前，必須的依賴環境，因此也被叫做CPU上下文。
CPU上下文切換，就是先把前一個任務的CPU上下文（也就是CPU暫存器和程式計數器）儲存起來，然後載入新任務的上下文到這些暫存器和程式計數器，最後再跳轉到程式計數器所指的新位置，執行新任務。而這些儲存下來的上下文，會儲存在系統核心中，並在任務重新排程執行時再次載入進來。這樣就能保證任務原來的狀態不受影響，讓任務看起來還是連續執行；
CPU 的上下文切換就可以分為幾個不同的場景，也就是程序上下文切換、執行緒上下文切換以及中斷上下文切換；
獲取上下文切換的工具：vmstat，pidstat
- vmstat檢視系統總體上下文切換
  - r（Running or Runnable）：就緒佇列的長度，即，正在執行和等待 CPU 的程序數；
  - b（Blocked）：處於不可中斷睡眠狀態的程序數；
  - cs（context switch）：每秒上下文切換次數；
  - in（interrupt）：每秒中斷次數。
- pidstat檢視程序或執行緒上下文切換
  - cswch/s：每秒自願上下文切換次數；指程序無法獲取所需資源，導致的上下文切換。比如說， I/O、記憶體等系統資源不足時，就會發生自願上下文切換。
  - nvcswch/s：每秒非自願上下文切換次數。是指程序由於時間片已到等原因，被系統強制排程，進而發生的上下文切換。比如說，大量程序都在爭搶 CPU 時，就容易發生非自願上下文切換（系統的就緒佇列過長，也就是正在執行和等待 CPU 的程序數過多，導致大量上下文切換；而上下文切換又會導致系統 CPU 的佔用率升高）。
- 程序上下文切換

執行緒上下文切換

上下文切換次數多少合理？
- 每秒上下文切換次數多少才算正常，其實取決於系統本身的CPU效能。如果系統的上下文切換次數比較穩定，那麼從數百到一萬以內，都應該算是正常。但當上下文切換次數超過一萬次，或者切換次數出現數量級的增長時，很可能已經出現了效能問題。實際場景有如下幾個：
  - 自願上下文切換變多，說明程序都在等待資源，可能是發生了 I/O 等其他問題；
  - 非自願上下文切換變多，說明程序都在被強制排程（都在爭搶 CPU），說明CPU成了瓶頸；
  - 中斷次數變多，說明CPU被中斷處理程式佔用，還需要通過檢視 /proc/interrupts 檔案來分析具體的中斷型別。