Linux性能优化

CPU

系统层面的一些优化手段：

• CPU 绑定：把进程绑定到一个或者多个 CPU 上，可以提高 CPU 缓存的命中率，减少跨 CPU 调度带来的上下文切换问题
• CPU 独占：跟 CPU 绑定类似，进一步将 CPU 分组，并通过 CPU 亲和性机制为其分配进程。这样，这些 CPU 就由指定的进程独占，换句话说，不允许其他进程再来使用这些 CPU
• 优先级调整：使用 nice 调整进程的优先级，正值调低优先级，负值调高优先级。，适当降低非核心应用的优先级，增高核心应用的优先级，可以确保核心应用得到优先处理
• 为进程设置资源限制：使用 Linux cgroups 来设置进程的 CPU 使用上限，可以防止由于某个应用自身的问题，而耗尽系统资源
• NUMA（Non-Uniform Memory Access）优化：支持 NUMA 的处理器会被划分为多个 node，每个 node 都有自己的本地内存空间。NUMA 优化，其实就是让 CPU 尽可能只访问本地内存
• 中断负载均衡：无论是软中断还是硬中断，它们的中断处理程序都可能会耗费大量的 CPU。开启 irqbalance 服务或者配置 smp_affinity，就可以把中断处理过程自动负载均衡到多个 CPU 上。

平均负载

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，和 CPU 使用率并没有直接关系

在只有 2 个 CPU 的系统上，平均负载为 2 代表所有的 CPU 都刚好被完全占用，大量 IO 会导致平均负载变高，但 CPU 使用率却不一定高

top 命令展示的三个值，分别为 1 分钟、5 分钟、15 分钟内的平均负载

上下文切换

vmstat 可以查看系统整体上下文切换情况：

• cs（context switch）是每秒上下文切换的次数
• in（interrupt）则是每秒中断的次数
• r（Running or Runnable）是就绪队列的长度，也就是正在运行和等待 CPU 的进程数
• b（Blocked）则是处于不可中断睡眠状态的进程数

pidstat 则可以查看单个进程的上下文切换情况，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

• 自愿上下文切换：是指进程无法获取所需资源，导致的上下文切换。比如说， I/O、内存等系统资源不足时，就会发生自愿上下文切换。
• 非自愿上下文切换：是指进程由于时间片已到等原因，被系统强制调度，进而发生的上下文切换，大量进程都在争抢 CPU 时，就容易发生非自愿上下文切换

中断处理也需要上下文切换，可以通过 /proc/interrupts 查看中断最多的类型

CPU使用率

通过 top 可以查看 CPU 在不同场景下的运行时间：

• user（通常缩写为 us），代表用户态 CPU 时间。注它不包括下面的 nice 时间，但包括了 guest 时间
• nice（通常缩写为 ni），代表低优先级用户态 CPU 时间，也就是进程的 nice 值被调整为 1-19 之间时的 CPU 时间，nice 可取值范围是 -20 到 19，数值越大，优先级反而越低
• system（通常缩写为 sys），代表内核态 CPU 时间
• idle（通常缩写为 id），代表空闲时间。它不包括等待 I/O 的时间（iowait）
• iowait（通常缩写为 wa），代表等待 I/O 的 CPU 时间
• irq（通常缩写为 hi），代表处理硬中断的 CPU 时间
• softirq（通常缩写为 si），代表处理软中断的 CPU 时间
• steal（通常缩写为 st），代表当系统运行在虚拟机中的时候，被其他虚拟机占用的 CPU 时间
• guest（通常缩写为 guest），代表通过虚拟化运行其他操作系统的时间，也就是运行虚拟机的 CPU 时间
• guest_nice（通常缩写为 gnice），代表以低优先级运行虚拟机的时间

为了在具体进程找到占用 CPU 时钟最多的函数或者指令，可以通过 perf top 查看函数名或函数地址

软中断

Linux 将中断处理过程分成了两个阶段，也就是上半部和下半部：

• 上半部用来快速处理中断，它在中断禁止模式下运行，主要处理跟硬件紧密相关的或时间敏感的工作
• 下半部用来延迟处理上半部未完成的工作，通常以内核线程的方式运行

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 对上半部来说，既然是快速处理，其实就是要把网卡的数据读到内存中，然后更新一下硬件寄存器的状态（表示数据已经读好了），最后再发送一个软中断信号，通知下半部做进一步的处理 下半部被软中断信号唤醒后，需要从内存中找到网络数据，再按照网络协议栈，对数据进行逐层解析和处理，直到把它送给应用程序

上半部会打断 CPU 正在执行的任务，然后立即执行中断处理程序。而下半部以内核线程的方式执行，并且每个 CPU 都对应一个软中断内核线程，名字为 “ksoftirqd/CPU 编号”

• /proc/softirqs 提供了软中断的运行情况
• /proc/interrupts 提供了硬中断的运行情况

当软中断事件的频率过高时，内核线程也会因为 CPU 使用率过高而导致软中断处理不及时，进而引发网络收发延迟、调度缓慢等性能问题