前言

最近准备再做压测，对于压测，需要有指标去寻找瓶颈，CPU正是其中关键一环。本文聚焦于CPU角度，理清CPU的指标有哪些，总结CPU性能指标概念。

CPU性能指标有哪些

通过常用的top命令，可以看出CPU的大部分指标：

top - 12:17:02 up 11 days, 21:04,  0 users,  load average: 1.85, 1.67, 1.75
Tasks:  23 total,   1 running,  22 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
%Cpu(s):  2.7 us,  2.1 sy,  0.0 ni, 95.1 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.1 si,  0.0 st

其中CPU性能指标相关的包括：

load average：平均负载
us： user 用户空间占用CPU的百分比
sy： system 系统空间占用CPU的百分比
ni： nice 跟进程优先级相关，指的是改变过优先级的进程占用CPU的百分比
id： idle 空闲CPU百分比
wa： iowait IO等待占用CPU的百分比
hi：硬中断（Hardware Interrupts）占用CPU的百分比
si：软中断（Software Interrupts）占用CPU的百分比
st： steal，下文会讲

上面是top命令能看到的东西。而总的来说，CPU的性能指标主要包括

平均负载
CPU使用率
上下文切换
CPU缓存命中率

下面分别介绍这些性能指标。

平均负载

简单来说，平均负载代表系统繁忙程度。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。

所谓可运行状态的进程，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。当一个进程向磁盘读写数据时，为了保证数据的一致性，在得到磁盘回复前，它是不能被其他进程或者中断打断的，这个时候的进程就处于不可中断状态。如果此时的进程被打断了，就容易出现磁盘数据与进程数据不一致的问题。所以，不可中断状态实际上是系统对进程和硬件设备的一种保护机制。

平均负载有三个值，如load average: 1.85, 1.67, 1.75，分别是1分钟、5分钟、15分钟内系统的平均负荷。
那怎么看这些值有没有问题呢？
判断平均负载的值有没有问题，是跟总逻辑CPU数相关。假设总逻辑CPU数是1：

当系统负荷持续大于0.7，你必须开始调查了，问题出在哪里，防止情况恶化。
当系统负荷持续大于1.0，你必须动手寻找解决办法，把这个值降下来。
当系统负荷达到5.0，就表明你的系统有很严重的问题，长时间没有响应，或者接近死机了。你不应该让系统达到这个值。

这里总逻辑CPU数 = 物理CPU个数 X 每个物理CPU的核数 X 超线程数（一般为2）
如果总逻辑CPU数是1 4 2 = 8，那么可接受的系统负载就是8，当超过8时，意味着有进程在等待CPU处理。

CPU使用率

CPU使用率包括：

用户CPU使用率
系统CPU使用率
等待I/O的CPU使用率
中断的CPU使用率
窃取CPU使用率(steal)和客户CPU使用率(guest)

用户CPU使用率

表示CPU在用户态运行的时间百分比，包括

用户态CPU使用率（%user），不包含nice进程
nice进程（改变过优先级的进程）的用户态CPU使用率（%nice）

nice进程会有一个nice值，范围从-20到+19，正值表示低优先级，负值表示高优先级，值为零则表示没有调整该进程的优先级。nice值最低优先级越高，所以值-20使得一项任务变得非常重要。与之相反，如果任务的nice为+19，则表示它是一个高尚的、无私的任务，允许所有其他任务比自己享有宝贵的CPU时间的更大使用份额，这也就是nice的名称的来意。

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（%system），不包含中断
内核态执行的任务如系统调用、调度任务等。系统CPU使用率高，说明内核比较繁忙

等待I/O的CPU使用率

表示等待I/O完成的时间百分比，也用iowait（%wa）表示
iowait高，通常说明系统与硬件设备的I/O交互时间比较长。

中断的CPU使用率

包括软中断（%si）和硬中断（%hi），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。
以网卡接收数据包为例子，网卡接收到数据包后，会通过硬件中断的方式，通知内核有新的数据到了，这时内核就调用中断处理程序来响应它，这个程序包含上下半部：

上半部是快速处理，把网卡的数据读到内存中，然后更新硬件寄存器的状态（表示数据已经读好了），最后再发送一个软中断信息，通知下半部做进一步的处理。上半部直接处理硬件请求，就是我们说的硬中断，特点是快速执行
下半部被软中断信号唤醒后，从内存中找到网络数据，再按照网络协议栈，对数据进行解析和处理，直到把它送给应用程序。下半部是由内核处理，也就是我们说的软中断，特点是延迟执行。

那为什么要分软中断和硬中断呢？
我们知道，由于需要快速响应硬件的任务，对于中断处理来说会打断CPU正在执行的任务（在进程上下文切换一节也会说到）去响应中断，这时还会临时关闭响应中断，也就是不会再去响应新的中断。为了减少对正常进程运行调度，以及尽量避免中断丢失，就将中断处理拆成上下半部，由硬中断快速响应，响应之后先返回，再由软中断以内核线程的方式执行下半部的任务。

软中断和硬中断的使用率高，通常说明系统发生了大量的中断，如有大量的网卡接收数据包的事件。

窃取CPU使用率和客户CPU使用率

窃取CPU使用率（%steal）指的是被其它虚拟机占用的CPU时间百分比
客户CPU使用率（%guest）指运行客户虚拟机的CPU时间百分比

上下文切换

我们知道，Linux是多任务操作系统，他支持多个任务“同时运行”，当前这些任务不是真的在同时运行，只是将CPU的执行划分时间片，轮流分配给这些任务，这些时间片很短，看起来像是任务同时在运行。
每个任务在运行前，CPU需要知道这些任务的运行上下文（CPU上下文），如知道从哪里开始运行等数据，这些数据存放在通过CPU寄存器（CPU内置的容量小但运行速度极快的内存）和程序计数器（存储CPU正在执行的指令位置和下一条指令位置）。任务不断执行，就伴随着CPU上下文的切换。

CPU的上下文切换是Linux正常工作的核心功能之一，一般情况下不需要我们关注。但过多的上下文切换，会把CPU时间消耗在CPU上下文的保存和恢复上，从而缩短进程真正的运行时间，导致系统的整体性能大幅下降。

CPU上下文切换出现的场景包括：

进程上下文切换
线程上下文切换
中断上下文切换

进程上下文切换

进程上下文切换出现的场景包括：

为了公平调度各个进程，CPU时间以时间片的形式切换，时间片耗尽了就会进行进程切换
进程在系统资源不足（如内存不足）时，要等到资源满足后才能继续运行，这个时候进程也会挂起，进行进程切换
进程通过sleep挂起，会进行进程切换
有更高优先级进程运行，为了保证更高优先级进程的运行，会挂起当前进程，进行进程切换
发生硬件中断，CPU上的进程会被中断挂起，转而执行内核中的中断服务程序

线程上下文切换

我们知道，线程是调度的基本单位，而进程是资源拥有的基本单位。内核中的任务调度，实际上是针对线程，而进程给线程提供了虚拟内存、全局变量等资源。
这样，由于线程上下文切换发生在同一个进程中，对于虚拟内存等资源来说是不需要动的，只需要切换线程的私有数据，如寄存器等线程私有的数据，因此线程上下文切换相比进程上下文切换消耗更少的资源

中断上下文切换

为了快速响应硬件的事件，中断处理器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，进程仍可以从原来的状态恢复运行。
对于检查中断的时机可以简单了解下，如图，在指令周期中，会有环节去检查中断。

中断上下文切换，只涉及内核态中断服务程序执行所必需的状态，包括CPU寄存器、硬件中断参数等，不涉及进程的用户态。
对同一个CPU来说，中断处理比进程拥有更高的优先级。另外跟进程上下文切换一样，中断上下文切换次数过多也会消耗大量的CPU时间。当发现中断次数过多时，需要注意排查是否会有性能问题。

CPU缓存命中率

由于CPU的发展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。为了提升CPU处理性能，CPU多级缓存就出现了，缓存了内存的热点数据。根据优先级不同，分为L1、L2、L3等三级缓存。
因此，CPU缓存的命中率就跟性能相关，命中率越高，性能越好。

总结

本文主要讲了CPU性能指标，通过如下的脑图可以有个整体视角理解Linux CPU性能指标 - 图2 这里强调一点是，这些指标不是相互孤立的，彼此之间可能存在关系。比如中断、上下文切换由内核调度，中断、上下文切换一多，系统CPU使用率也会跟着上升。把他们拆分出来，可以更好地定位是哪里可能有问题，而不是只能看着系统CPU比较大的指标:)

Yi的技术分享

理解Linux CPU性能指标

前言