Linux 測試cpu效能詳解
原帖地址：http://os.51cto.com/art/201006/203872.htm
在這篇文章中,主要介紹Linux 測試cpu效能的一些基礎知識.首先介紹一下Linux kernel中的排程器(scheduler),排程器負責排程系統中的兩種資源，一是執行緒，二是中斷。排程器給不同資源不同的優先順序。
Linux 測試cpu效能從高到低為：
1. 硬體中斷（Hardware Interrupts）--這些請求由硬體觸發，比如磁碟已經完成了讀寫任務或是網絡卡受到了新的資料包。
2. 軟體中斷（Software Interrupts)--這裡指的是維護核心執行的核心態軟體中斷。比如核心的時鐘管理程序。
3. 實時程序（Real time threads)--實時程序比核心本身具備更高的優先順序，它可以搶佔核心的CPU時間片，在2.4核心是一個不可搶佔的核心，它中不支援實時程式。
4. 核心程序（Kernel threads）--包括所以的核心程式。
5. 使用者程序（User threads）-- 所有執行在使用者態的程序。
關於Linux 測試cpu效能，有3個重要的概念：上下文切換（context switchs），執行佇列（Run queue）和使用率（utilization）。
上下文切換：
目前流行的CPU在同一時間內只能執行一個執行緒，超執行緒的處理器可以在同一時間執行多個執行緒（包括多核CPU），Linux核心會把多核的處理器當作多個單獨的CPU來識別。
一個標準的Linux核心何以支援執行50～50000個程序執行，對於普通的CPU，核心會排程和執行這些程序。每個程序都會分到CPU的時間片來執行，當一個程序用完時間片或者被更高優先順序的程序搶佔後，它會備份到CPU的執行佇列中，同時其他程序在CPU上執行。這個程序切換的過程被稱作上下文切換。過多的上下文切換會造成系統很大的開銷。
執行佇列：
每個CPU都會維持一個執行佇列，理想情況下，排程器會不斷讓佇列中的程序執行。程序不是處在sleep狀態就是run able狀態。 如果CPU過載，就會出現排程器跟不上系統的要求，導致可執行的程序會填滿佇列。佇列愈大，程式執行時間就愈長。“load”用來表示執行佇列，用top命令我們可以看到CPU一分鐘，5分鐘和15分鐘內的執行佇列的大小。這個值越大表明系統負荷越大。
Linux 測試cpu效能CPU使用率：
CPU使用率可分為一下幾個部分
User Time—執行使用者程序的時間百分比；
System Time—執行核心程序和中斷的時間百分比；
Wait IO—因為IO等待而使CPU處於idle狀態的時間百分比；
Idle—CPU處於Idle狀態的時間百分比。
關於時間片和動態優先順序：
時間片對於CPU來說是很關鍵的引數，如果時間片太長，就會使系統的互動效能變差，使用者感覺不到並行。如果太短，又會造成系統頻繁的上下文切換，使效能下降。對於IO Bound的系統來講並不需要太長的時間片，因為系統主要是IO操作；而對於CPU Bound的系統來說需要長的時間片以保持cache的有效性。每一個程序啟動的時候系統都會給出一個預設的優先順序，但在執行過程中，系統會根據程序的執行狀況不斷調整優先順序，核心會升高或降低程序的優先順序（每次增加或降低5），判斷標準是根據程序處於sleep狀態的時間。IO Bound程序大部分時間在sleep狀態，所以核心會調高它的優先順序，CPU Bound程序會被核心懲罰降低優先順序。因此，如果一個系統上即執行IO Bound程序，又執行CPU Bound程序，我們會發現，IO Bound程序的效能不會下降，而CPU Bound程序效能會不斷下降。
我們執行一個CPU Bound的程式：cpu-hog。用ps命令可以看出它的優先順序在不斷下降。
- term1# ./cpu-hog
- term2# while :; do ps -eo pid,ni,pri,pcpu,comm | egrep
- 'hog|PRI'; sleep 1; done
- PID NI PRI %CPU COMMAND
- 22855 0 20 84.5 cpu-hog
- PID NI PRI %CPU COMMAND
- 22855 0 18 89.6 cpu-hog
- PID NI PRI %CPU COMMAND
- 22855 0 15 92.2 cpu-hog
- PID NI PRI %CPU COMMAND
- 22855 0 15 93.8 cpu-hog
我們執行find命令，是一個IO Bound的程式，可以觀察到它的優先順序不斷提高。
- term1# find /
- term2# while :; do ps -eo pid,ni,pri,pcpu,comm | egrep
- 'find|PRI'; sleep 1; done
- PID NI PRI %CPU COMMAND
- 23101 0 20 0.0 find
- PID NI PRI %CPU COMMAND
- 23101 0 21 4.0 find
- PID NI PRI %CPU COMMAND
- 23101 0 23 3.5 find
- PID NI PRI %CPU COMMAND
- 23101 0 23 4.3 find
- PID NI PRI %CPU COMMAND
- 23101 0 23 4.2 find
- PID NI PRI %CPU COMMAND
- 23101 0 23 4.4 find
正如我們之前討論的任何系統的效能比較都是基於基線的，並且監控CPU的效能就是以上3點，執行佇列、CPU使用率和上下文切換。以下是一些對於CPU很普遍的效能要求：
1. 對於每一個CPU來說執行佇列不要超過3，例如，如果是雙核CPU就不要超過6；
2. 如果CPU在滿負荷執行，應該符合下列分佈，
a) User Time：65%～70%
b) System Time：30%～35%
c) Idle：0%～5%
3. 對於上下文切換要結合CPU使用率來看，如果CPU使用滿足上述分佈，大量的上下文切換也是可以接受的。
常用的監視工具有，vmstat, top,dstat和mpstat.
- # vmstat 1
- procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- --system-- ----cpu----
- r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa
- 0 0 104300 16800 95328 72200 0 0 5 26 7 14 4 1 95 0
- 0 0 104300 16800 95328 72200 0 0 0 24 1021 64 1 1 98 0
- 0 0 104300 16800 95328 72200 0 0 0 0 1009 59 1 1 98 0
r表示執行佇列的大小，
b表示由於IO等待而block的執行緒數量，
in表示中斷的數量，
cs表示上下文切換的數量，
us表示使用者CPU時間，
sys表示系統CPU時間，
wa表示由於IO等待而是CPU處於idle狀態的時間，
id表示CPU處於idle狀態的總時間。
總結的說，Linux 測試CPU效能監控包含以下方面：
檢查系統的執行佇列，確保每一個CPU的執行佇列不大於3.
確保CPU使用分佈滿足70/30原則（使用者70%，系統30%）。
如果系統時間過長，可能是因為頻繁的排程和改變優先順序。
CPU Bound程序總是會被懲罰（降低優先順序）而IO Bound程序總會被獎勵（提高優先順序）。