linux 性能优化-- cpu 切换以及cpu过高

本文先介绍了cpu上下文切换的基础知识，以及上下文切换的类型（进程，线程等切换）。然后介绍了如何查看cpu切换次数的工具和指标的解释。同时对日常分析种cpu过高的情况下如何分析和定位的方法做了一定的介绍，使用一个简单的案例进行分析，先用top，pidstat等工具找出占用过高的进程id，然后通过分析到底是用户态cpu过高，还是内核态cpu过高，并用perf 定位到具体的调用函数。（来自极客时间课程学习笔记）

1、多任务竞争CPU，cpu变换任务的时候进行CPU上下文切换(context switch)。CPU执行任务有4种方式：进程、线程、或者硬件通过触发信号导致中断的调用。

2、当切换任务的时候，需要记录任务当前的状态和获取下一任务的信息和地址(指针)，这就是上下文的内容。因此，上下文是指某一时间点CPU寄存器(CPU register)和程序计数器(PC)的内容, 广义上还包括内存中进程的虚拟地址映射信息.

3、上下文切换的过程：

4、根据任务的执行形式，相应的下上文切换，有进程上下文切换、线程上下文切换、以及中断上下文切换三类。

5、进程和线程的区别：

进程是资源分配和执行的基本单位；线程是任务调度和运行的基本单位。线程没有资源，进程给指针提供虚拟内存、栈、变量等共享资源，而线程可以共享进程的资源。

6、进程上下文切换：是指从一个进程切换到另一个进程。

(1)进程运行态为内核运行态和进程运行态。内核空间态资源包括内核的堆栈、寄存器等；用户空间态资源包括虚拟内存、栈、变量、正文、数据等

(2)系统调用(软中断)在内核态完成的，需要进行2次CPU上下文切换(用户空间-->内核空间-->用户空间)，不涉及用户态资源，也不会切换进程。

(3)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用户空间的资源，也包括内核空间资源。

(4)进程的上下文切换过程：

(5)、下列将会触发进程上下文切换的场景：

7、线程上下文切换：

8、中断上下文切换

快速响应硬件的事件，中断处理会打断进程的正常调度和执行。同一CPU内，硬件中断优先级高于进程。切换过程类似于系统调用的时候，不涉及到用户运行态资源。但大量的中断上下文切换同样可能引发性能问题。

重点关注信息：

系统的就绪队列过长，也就是正在运行和等待 CPU 的进程数过多，导致了大量的上下文切换，而上下文切换又导致了系统 CPU 的占用率升高。

这个结果中有两列内容是我们的重点关注对象。一个是 cswch ，表示每秒自愿上下文切换（voluntary context switches）的次数，另一个则是 nvcswch ，表示每秒非自愿上下文切换（non voluntary context switches）的次数。

linux的中断使用情况可以从 /proc/interrupts 这个只读文件中读取。/proc 实际上是 Linux 的一个虚拟文件系统，用于内核空间与用户空间之间的通信。/proc/interrupts 就是这种通信机制的一部分，提供了一个只读的中断使用情况。

重调度中断（RES），这个中断类型表示，唤醒空闲状态的 CPU 来调度新的任务运行。这是多处理器系统（SMP）中，调度器用来分散任务到不同 CPU 的机制，通常也被称为处理器间中断（Inter-Processor Interrupts，IPI）。

这个数值其实取决于系统本身的 CPU 性能。如果系统的上下文切换次数比较稳定，那么从数百到一万以内，都应该算是正常的。但当上下文切换次数超过一万次，或者切换次数出现数量级的增长时，就很可能已经出现了性能问题。这时，需要根据上下文切换的类型，再做具体分析。

比方说：

首先通过uptime查看系统负载，然后使用mpstat结合pidstat来初步判断到底是cpu计算量大还是进程争抢过大或者是io过多，接着使用vmstat分析切换次数，以及切换类型，来进一步判断到底是io过多导致问题还是进程争抢激烈导致问题。

CPU 使用率相关的重要指标：

性能分析工具给出的都是间隔一段时间的平均 CPU 使用率，所以要注意间隔时间的设置，特别是用多个工具对比分析时，你一定要保证它们用的是相同的间隔时间。比如，对比一下 top 和 ps 这两个工具报告的 CPU 使用率，默认的结果很可能不一样，因为 top 默认使用 3 秒时间间隔，而 ps 使用的却是进程的整个生命周期。

top 和 ps 是最常用的性能分析工具：

这个输出结果中，第三行 %Cpu 就是系统的 CPU 使用率，top 默认显示的是所有 CPU 的平均值，这个时候你只需要按下数字 1 ，就可以切换到每个 CPU 的使用率了。继续往下看，空白行之后是进程的实时信息，每个进程都有一个 %CPU 列，表示进程的 CPU 使用率。它是用户态和内核态 CPU 使用率的总和，包括进程用户空间使用的 CPU、通过系统调用执行的内核空间 CPU 、以及在就绪队列等待运行的 CPU。在虚拟化环境中，它还包括了运行虚拟机占用的 CPU。

预先安装 stress 和 sysstat 包，如 apt install stress sysstat。

stress 是一个 Linux 系统压力测试工具，这里我们用作异常进程模拟平均负载升高的场景。而 sysstat 包含了常用的 Linux 性能工具，用来监控和分析系统的性能。我们的案例会用到这个包的两个命令 mpstat 和 pidstat。

下面的 pidstat 命令，就间隔 1 秒展示了进程的 5 组 CPU 使用率，

包括：

perf 是 Linux 2.6.31 以后内置的性能分析工具。它以性能事件采样为基础，不仅可以分析系统的各种事件和内核性能，还可以用来分析指定应用程序的性能问题。

第一种常见用法是 perf top，类似于 top，它能够实时显示占用 CPU 时钟最多的函数或者指令，因此可以用来查找热点函数，使用界面如下所示：

输出结果中，第一行包含三个数据，分别是采样数（Samples）如2K、事件类型（event）如cpu-clock:pppH和事件总数量（Event count）如：371909314。

第二种常见用法，也就是 perf record 和 perf report。 perf top 虽然实时展示了系统的性能信息，但它的缺点是并不保存数据，也就无法用于离线或者后续的分析。而 perf record 则提供了保存数据的功能，保存后的数据，需要你用 perf report 解析展示。

1.启动docker 运行进程：

2.ab工具测试服务器性能

ab（apache bench）是一个常用的 HTTP 服务性能测试工具，这里用来模拟 Ngnix 的客户端。

3.分析过程

CPU 使用率是最直观和最常用的系统性能指标，在排查性能问题时，通常会关注的第一个指标。所以更要熟悉它的含义，尤其要弄清楚:

这几种不同 CPU 的使用率。比如说：

碰到 CPU 使用率升高的问题，你可以借助 top、pidstat 等工具，确认引发 CPU 性能问题的来源；再使用 perf 等工具，排查出引起性能问题的具体函数.

说到服务器系统的选型，Windows Server用户和Linux用户又会开启碾压模式，始终都觉得自己选择的系统优于其它系统。其实站在中立角度来说，存在即有价值，不管是Windows Server还是Linux，都有自身的优劣势，最终选择哪款系统还是要看项目实际情况而定。 1、Windows Server傻瓜式 *** 作，入门门槛低，安全性低 可以说99%的人选择Windows Server作为其服务器 *** 作系统是因为它的入门门监低，因为都是可视化窗口 *** 作，可以这样说，只要会基本的电脑 *** 作的用户花几天时间就能完全掌握Windows Server的管理和维护。 但不可否认的是Windows Server的安全性是比不上Linux类系统的，这里不需要多说什么，大家可以看看所有的杀毒软件都是针对Windows平台的，像Linux和macOS上的杀毒软件基本没有。 2、Linux安全性高，但门槛过高 Linux内核系统以安全据称，搞过软件开发的朋友都知道，在Linux平台上执行某些程序时经常会遇到权限不足的情况，这是因为Linux的权限设计得很严格，所以在 *** 作上就略显繁琐了。 另外，Linux类系统主打的是终端模式，而不是桌面版系统。所以很多用户在面对Liunx黑色的命令行模式时就显得力不从心，望而生畏。 现在的程序开发语言很多，基本上每种都可以去开发服务端程序，所以最终 游戏 服务器系统的选择要看这个服务端程序是用什么语言开发的。 对于Java、C/C++、PHP、Python、Node.js等都是跨平台的，可以在Linux和Windows Server等系统上运行；但对于微软系的开发语言（如：VB、C#、.NETCore）等也就只能在Windows Server上运行了。 那肯定是linux好。linux安全，高效。如果需要，甚至任何一台安卓手机，都可以做个可靠的linux微型服务器。 微软服务器，每个礼拜都要关机维护一次。不然磁盘碎片太多，后面会越来越慢。linux服务器不需要维护这个。因为linux服务器，没有磁盘碎片问题。 微软内核没有公布，里面含着各种秘密后门，比如安全局秘钥特种权限。整个微软服务器非常不安全。最多只能用在不需要保密的 娱乐 服务器上面。 其实，微软内核对美军情报部门是秘密公开的。任何一位美国安全局特工，都可以轻易的利用，微软特殊秘钥。获取，全球任何一台微软服务器的一切资料。 linux内核是公开的，所以服务器，自然没有看不见的后门。因此，无论是金融银行，还是需要保证技术安全的互联网巨头，以及先进技术需要保密的制造巨头企业，最后公文需要保密的公权力党政军机关单位。都会优先使用linux服务器。 做 游戏 ，如果服务器被黑了。最坏的可能，意味着破产，所以呢，还是必须老实的拥抱linux。这个问题其实可以从两方面来考虑： 一、性能方面在专业人士经常使用来看区别不是很大，也不会说是存在碾压的情况。Linux中的线程切换速度比Win server快，但是安全性方面Win server比Linux要好一点，之所以这样说是Win 的易用性比较高，一般人士都会因为各种情况给Win防护墙开路。但是在小白手里经常出现的情况要是放到Linux上那就比较严重了。 二、其次就是经济上考虑的话Linux 免费 Win server 花钱（比较贵），但是Linux用起来比较复杂一点（要配合工作产出比来衡量）。 所以，选择他们其中一个都是可以的，主要是看你用哪个最方便适合，更专精于哪个。有句老话难者不会，会者不难。根源就在于人，系统都是面向全世界的存在即合理！选择看自己！理由如下: 希望对你有帮助游戏 服务器其实真的不复杂，主要是多简单指令，高并发，这恰恰是Linux的长处，然而既然性能要求不高，那么win其实完全也够用了，顺带还可以有更容易上手的交互界面和数据库支持。 所以，没有谁更好的说法，用谁都够用 小白用windows，大神用linux,相对来说linux更安全，同配置性能略优，windows *** 作方便，使用简单，运维更容易点！ 用着好就行，实际上win应该更好些，毕竟有大公司更新维护。乱改的测试平台就是以个人喜好为主。 linux，稳定性好。

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