极客时间 - 《Linux 性能优化实战》

极客时间 - 《Linux 性能优化实战》原文链接：https://time.geekbang.org/column/intro/100020901

• [02 | 基础篇：到底应该怎么理解"平均负载"？](#02 | 基础篇：到底应该怎么理解“平均负载”？)
• • 在Linux系统中，当一个进程启动时，操作系统会为该进程申请哪些资源？（9点）
  • [如何理解进程的 S 状态？](#如何理解进程的 S 状态？)
  • [如何理解进程的 D 状态？](#如何理解进程的 D 状态？)
  • [如何理解进程的 R 状态？](#如何理解进程的 R 状态？)
  • [如何理解进程的 Z 状态？](#如何理解进程的 Z 状态？)
  • 如何理解父进程执行结束，操作系统也会释放子僵尸进程描述符？
  • [如何理解进程的 I 状态？](#如何理解进程的 I 状态？)
  • [如何理解进程的 T 状态？](#如何理解进程的 T 状态？)
  • 如何理解平均负载？
  • [如何理解 uptime 的运行结果？如何判断结果是否正常或异常？](#如何理解 uptime 的运行结果？如何判断结果是否正常或异常？)
  • 如何理解CPU使用率？
  • 如何理解CPU使用率和平均负载的关系？
  • [如何理解 mpstat 工具？](#如何理解 mpstat 工具？)
  • [如何理解 pidstat 工具？](#如何理解 pidstat 工具？)
• [03 | 基础篇：经常说的 CPU 上下文切换是什么意思？（上）](#03 | 基础篇：经常说的 CPU 上下文切换是什么意思？（上）)
• • CPU中有哪些常见的寄存器，功能是什么？（9种）
  • 进程的上下文切换都切换了哪些信息？（7条）
  • CPU在什么情况下切换到其他进程运行？（6点）
  • 同一进程内线程的上下文切换，哪些信息会切换？哪些信息不会切换？
  • • 会切换的信息（5条）
    • 不会切换的信息（4条）
  • 中断的上下文切换，哪些信息会切换？哪些信息不会切换？
  • • 会切换的信息（4条）
    • 不会切换的信息（3条）
• [04 | 基础篇：经常说的 CPU 上下文切换是什么意思？（下）](#04 | 基础篇：经常说的 CPU 上下文切换是什么意思？（下）)
• • [如何理解 vmstat 工具？](#如何理解 vmstat 工具？)
  • [如何理解 pidstat 工具查看线程上下文切换？](#如何理解 pidstat 工具查看线程上下文切换？)
  • [如何理解 cswch 和 nvcswch ？](#如何理解 cswch 和 nvcswch ？)
  • 如何查看中断升高发生的类型？
  • 什么情况的每秒上下文切换才算正常？
• [05 | 基础篇：某个应用的CPU使用率居然达到100%，我该怎么办？](#05 | 基础篇：某个应用的CPU使用率居然达到100%，我该怎么办？)
• • [如何理解 top 命令的运行结果？](#如何理解 top 命令的运行结果？)
  • [如何理解 ps 命令的运行结果？](#如何理解 ps 命令的运行结果？)
  • [如何理解 平均CPU使用率？](#如何理解 平均CPU使用率？)
  • 如何理解CPU节拍率？
  • [分析一下 man proc？](#分析一下 man proc？)
  • [如何使用 perf 工具定位到 CPU占用率高的具体源码行数？](#如何使用 perf 工具定位到 CPU占用率高的具体源码行数？)

02 | 基础篇：到底应该怎么理解"平均负载"？

在Linux系统中，当一个进程启动时，操作系统会为该进程申请哪些资源？（9点）

• PID：系统中唯一标识，用于区分不同的进程，进行进程管理和调度。
• 虚拟内存空间：包括代码段、数据段、堆、栈等，存储进程代码、数据、运行时堆栈等信息。
• 文件描述符：进程可以打开文件、管道、套接字等，操作系统会为这些打开的资源分配文件描述符，用于标记和访问这些资源。
• CPU时间片：确保进程能够获得必要的CPU资源来执行其任务。
• 进程控制块 PCB：操作系统会为每个进程创建一个进程控制块，其中包含进程的状态信息、寄存器值、调度信息等，用于管理和调度进程。
• 环境变量：包含了一些配置信息和运行时参数，影响进程运行和配置。
• 信号处理器：操作系统会为进程设置信号处理器，用于处理各种信号事件（如中断、终止信号等），确保进程能够正确响应各种信号事件。
• 用户和组ID，用于权限管理和访问控制。
• 网络资源：socket，支持进程进行网络通信。

如何理解进程的 S 状态？

• S（interruptible Sleep）
• 进入条件：需要等待可被信号中断的事件发生。
• 可处理信号。
• 进程暂停执行，释放CPU资源。
• 等待的特定事件发生后，从S状态转换为就绪状态，等待CPU调度执行。
• 应用场景：文件IO，网络通信，进程间通信。

如何理解进程的 D 状态？

• D（Uninterruptible Sleep）
• 进入条件：需要等待可被信号中断的事件发生。
• 不可处理信号，直到等待事件发生。（这个时候信号会等事件响应之后处理吗？）
• 进程暂停执行，释放CPU资源。
• 等待的特定事件发生后，从S状态转换为就绪状态，等待CPU调度执行。
• 应用场景（进程与硬件设备直接交互）：磁盘读写，DMA操作，内核锁，内核同步操作。

如何理解进程的 R 状态？

• R（Running）:进程正在被CPU调度，占用CPU。
• R（Runnable）：进程等待被CPU调度，不占用CPU。

如何理解进程的 Z 状态？

• Z（Zombie）僵尸状态。
• 子进程执行结束，子进程描述符保留在操作系统进程表中。
• 子进程不能通过发送信号杀死，需要通过父进程调用 wait() 或 waitpid() 来获取其退出状态信息后，操作系统释放进程描述符。
• 父进程执行结束，操作系统也会释放子僵尸进程描述符。
• 不占用CPU和内存资源，占用进程表中的一个进程描述符。

如何理解父进程执行结束，操作系统也会释放子僵尸进程描述符？

• 操作系统检测到父进程结束。
• 将僵尸子进程PPID改为1，即 init 进程的PID。
• init进程会定期调用 wait() 或 waitpid() 系统调用来获取僵尸子进程的退出状态，操作系统释放僵尸子进程资源（包括文件描述符），结束这些僵尸子进程的生命周期。

如何理解进程的 I 状态？

如何理解进程的 T 状态？

如何理解平均负载？

单位时间内，系统处于 R状态（正在使用 CPU 或者正在等待 CPU 的进程） 和 D状态（不可中断睡眠状态的进程） 的平均进程数。

如何理解 uptime 的运行结果？如何判断结果是否正常或异常？

TUPIAN

$ uptime
02:34:03 up 2 days, 20:14,  1 user,  load average: 0.63, 0.83, 0.88

正常情况：

• 平均负载数值 / CPU逻辑核心数 < 70%。
• 分析趋势：1 分钟、5 分钟、15 分钟的三个值基本相同，或者相差不大。

异常情况：

• 平均负载数值 / CPU逻辑核心数 > 70%。
• 分析趋势：1 分钟、5 分钟、15 分钟的三个值递减，说明最近这段时间负载在增加，一旦 1 分钟的平均负载接近或超过了逻辑 CPU 的个数，就意味着系统正在发生过载问题，需要分析问题并进行优化。

如何理解CPU使用率？

如何理解CPU使用率和平均负载的关系？

场景	CPU使用率	平均负载
CPU密集型进程	↑（CPU实际使用率会升高。）	↑（正在使用CPU的进程数增加。）
IO密集型	---（IO操作不会占用CPU。）	↑（等待IO，不可中断睡眠状态进程数增加。）
大量等待CPU调度的进程	↑（大量进程在进行上下文切换，会消耗CPU，CPU并没有在真正的执行进程指令。）	↑（等待CPU调度的进程数增加。）

如何理解 mpstat 工具？

功能：多核 CPU 性能分析工具，用来实时查看每个 CPU 的性能指标，以及所有 CPU 的平均指标。

执行结果分析：

如何理解 pidstat 工具？

功能：进程性能分析工具，用来实时查看进程的 CPU、内存、I/O 以及上下文切换等性能指标。

执行结果分析：

03 | 基础篇：经常说的 CPU 上下文切换是什么意思？（上）

CPU中有哪些常见的寄存器，功能是什么？（9种）

• 通用寄存器（General Purpose Registers, GPRs）：存储数据和地址。
• 程序计数器（Program Counter）：存储下一条要执行的指令的地址。
• 栈寄存器（Stack Pointer, SP）：指向当前栈的顶部。
• 基址指针（Base Pointer, BP）：指向栈中的某个固定地址（通常是函数的栈起始地址），通过 基址指针 + 偏移 访问局部变量和参数。
• 指令寄存器（Instruction Register）：存储当前正在执行的指令。
• 状态寄存器（Status Register）：存储CPU执行指令后的状态信息，如进位标志（CF）、零标志（ZF）、符号标志（SF）、溢出标志（OF）等。
• 浮点寄存器：用于存储浮点数和SIMD（单指令多数据）指令的数据。
• 控制寄存器：存储CPU的控制信息，如分页机制、保护模式、调试等。
• 调试寄存器：用于硬件调试，如设置断点、监视内存访问等。

进程的上下文切换都切换了哪些信息？（7条）

• 所有寄存器信息。
• 虚拟内存信息。
• 进程状态。（就绪，等待，运行等）
• 进程优先级。
• IO状态信息：IO缓冲区、文件打开状态等。
• 资源使用情况。（CPU使用时间，内存使用情况等）
• 信号处理相关信息。（待处理的信号列表，信号处理函数地址等）

CPU在什么情况下切换到其他进程运行？（6点）

• 分片的时间片用完。
• 当前进程执行结束。
• 程序主动 sleep。
• 资源不足（例如：内存）。
• 硬件中断，执行内核中断服务程序。
• 高优先级进程运行存在时。

同一进程内线程的上下文切换，哪些信息会切换？哪些信息不会切换？

会切换的信息（5条）

• 程序计数器（Program Counter）：保存当前线程下一条要执行的指令的地址。
• 寄存器状态：包括通用寄存器、浮点寄存器、状态寄存器等所有CPU寄存器的内容。
• 栈指针和基址指针：保存当前线程栈顶和栈起始位置。
• 线程状态：运行、就绪、阻塞等状态。
• 线程本地存储：保存线程私有数据。

不会切换的信息（4条）

• 进程虚拟地址空间：同一进程内所有线程共享相同的虚拟地址空间（代码段、数据段、堆等）。
• 全局变量和静态变量：进程的虚拟地址空间共享。
• 打开的文件描述符和文件系统信息：进程级别资源。
• 信号处理设置。

中断的上下文切换，哪些信息会切换？哪些信息不会切换？

会切换的信息（4条）

• 通用寄存器。
• 程序计数器（Program Counter）：存储下一条要执行的指令的地址。
• 栈寄存器（Stack Pointer, SP）：指向当前栈的顶部。
• 状态寄存器（Status Register）：存储CPU执行指令后的状态信息，如进位标志（CF）、零标志（ZF）、符号标志（SF）、溢出标志（OF）等。

不会切换的信息（3条）

• 内存内容：内存中的数据通常不会因为中断而切换，除非中断处理程序需要修改这些数据。
• 外部设备状态：外部设备的状态（如硬盘、网络接口等）不会因为中断而切换，这些状态由设备自身管理。
• 全局变量和静态变量：这些变量的值通常不会因为中断而切换，除非中断处理程序需要修改这些变量。

04 | 基础篇：经常说的 CPU 上下文切换是什么意思？（下）

如何理解 vmstat 工具？

功能：

执行结果分析：

如何理解 pidstat 工具查看线程上下文切换？

功能：pidstat -wt 1

执行结果分析：

如何理解 cswch 和 nvcswch ？

cswch（每秒自愿上下文切换（voluntary context switches）的次数）：系统资源不足发生。

cswch变多，进程都在等待资源，有可能发生了 I/O 等其他问题；

nvcswch（每秒非自愿上下文切换（non voluntary context switches）的次数）：时间片用完，系统强制调度。

nvcswch变多，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；

如何查看中断升高发生的类型？

功能：watch -d cat /proc/interrupts

interrupt变多， CPU 被中断处理程序占用，需要通过查看 /proc/interrupts 文件来分析具体的中断类型。

什么情况的每秒上下文切换才算正常？

• 稳定在1万次以内。
• 有增长，但是次数不是数量级的增长。

05 | 基础篇：某个应用的CPU使用率居然达到100%，我该怎么办？

如何理解 top 命令的运行结果？

如何理解 ps 命令的运行结果？

如何理解 平均CPU使用率？

TUPIAN：公式

如何理解CPU节拍率？

CPU节拍率：CPU每秒发生时钟中断的次数，如果是100，则CPU每秒发生100次时钟中断。

每次时钟中断的发生，操作系统都有机会进行上下文切换，实现多个任务共享CPU时间，实现多任务并发处理。

分析一下 man proc？

如何使用 perf 工具定位到 CPU占用率高的具体源码行数？