摘要
性能工具：系统CPU
本章概述了系统级的Linux性能工具。这些工具是你追踪性能问题时的第一道防线。它们能展示整个系统的性能情况和哪些部分表现不好。本章将讨论这些工具可以测量的统计信息，以及如何使用各种工具收集这些统计结果。阅读本章后，你将能够：
理解系统级性能的基本指标，包括CPU的使用情况。
明白哪些工具可以检索这些系统级性能指标。
2.1 CPU性能统计信息
每一种系统级Linux性能工具都提供了不同的方式来提取相似的统计结果。虽然没有工具能显示全部的信息，但是有些工具显示的是相同的统计信息。为了不多次（每种工具一次）解释统计信息的含义，我们在描述所有工具之前对这些信息进行一次性说明。
2.1.1 运行队列统计
在Linux中，一个进程要么是可运行的，要么是阻塞的（正在等待一个事件的完成）。阻塞进程可能在等待的是从I/O设备来的数据，或者是系统调用的结果。如果进程是可运行的，那就意味着它要和其他也是可运行的进程竞争CPU时间。一个可运行的进程不一定会使用CPU，但是当Linux调度器决定下一个要运行的进程时，它会从可运行进程队列中挑选。如果进程是可运行的，同时又在等待使用处理器，这些进程就构成了运行队列。运行队列越长，处于等待状态的进程就越多。
性能工具通常会给出可运行的进程个数和等待I/O的阻塞进程个数。另一种常见的系统统计是平均负载。系统的负载是指正在运行和可运行的进程总数。比如，如果正在运行的进程为两个，而可运行的进程为三个，那么系统负载就是5。平均负载是给定时间内的负载量。一般情况下，取平均负载的时间为1分钟、5分钟和15分钟。这能让你观察到负载是如何随时间变化的。
2.1.2 上下文切换
大部分现代处理器一次只能运行一个进程或线程。虽然有些处理器（比如超线程处理器）实际上可以同时运行多个进程，但是Linux会把它们看作多个单线程处理器。如果要制造出给定单处理器同时运行多个任务的假象，Linux内核就要不断地在不同的进程间切换。这种不同进程间的切换称为上下文切换，因为当其发生时，CPU要保存旧进程的所有上下文信息，并取出新进程的所有上下文信息。上下文中包含了Linux跟踪新进程的大量信息，其中包括：进程正在执行的指令，分配给进程的内存，进程打开的文件等。这些上下文切换涉及大量信息的移动，因此，上下文切换的开销可以是相当大的。尽量减少上下文切换的次数是个好主意。
要避免上下文切换，重要的一点是了解它们是如何发生的。首先，上下文切换可以是内核调度的结果。为了保证公平地给每个进程分配处理器时间，内核周期性地中断正在运行的进程，在适当的情况下，内核调度器会决定开始另一个进程，而不是让当前进程继续执行。每次这种周期性中断或定时发生时，你的系统都可能进行上下文切换。每秒定时中断的次数与架构和内核版本有关。一个检查中断频率的简单方法是用/proc/interrupts文件，它可以确定已知时长内发生的中断次数。如清单2.1所示。
清单2.1
在清单2.1中，我们要求内核给出定时器启动的次数，等待10秒后，再次请求。这就是说，在这台机器上定时器启动频率为（24 070 093-24 060 043）中断/（10秒）或者约1000次中断/秒。如果你的上下文切换明显多于定时器中断，那么这些切换极有可能是由I/O请求或其他长时间运行的系统调用（如休眠）造成的。当应用请求的操作不能立即完成时，内核启动该操作，保存请求进程，并尝试切换到另一个已就绪进程。这能让处理器尽量保持忙状态。
2.1.3 中断
此外，处理器还周期性地从硬件设备接收中断。当设备有事件需要内核处理时，它通常就会触发这些中断。比如，如果磁盘控制器刚刚完成从驱动器取数据块的操作，并准备好提供给内核，那么磁盘控制器就会触发一个中断。对内核收到的每个中断，如果已经有相应的已注册的中断处理程序，就运行该程序，否则将忽略这个中断。这些中断处理程序在系统中具有很高的运行优先级，并且通常执行速度也很快。有时，中断处理程序有工作要做，但是又不需要高优先级，因此它可以启动“下半部”（bottom half），也就是所谓的软中断处理程序。如果有很多中断，内核会花大量的时间服务这些中断。查看/proc/interrupts文件可以显示出哪些CPU上触发了哪些中断。
2.1.4 CPU使用率
CPU使用率是个简单的概念。在任何给定的时间，CPU可以执行以下七件事情中的一个：
（1）CPU可以是空闲的，这意味着处理器实际上没有做任何工作，并且等待有任务可以执行。
（2）CPU可以运行用户代码，即指定的“用户”时间。
（3）CPU可以执行Linux内核中的应用程序代码，这就是“系统”时间。
（4）CPU可以执行“比较友好”的或者优先级被设置为低于一般进程的用户代码。
（5）CPU可以处于iowait状态，即系统正在等待I/O（如磁盘或网络）完成。
（6）CPU可以处于irq状态，即它正在用高优先级代码处理硬件中断。
（7）CPU可以处于softirq模式，即系统正在执行同样由中断触发的内核代码，只不过其运行于较低优先级（下半部代码）。
此情景出现的条件为：发生设备中断时，而内核在将其移交给用户空间之前必须对其进行一些处理（比如，处理网络包）。
大多数性能工具将这些数值表示为占CPU总时间的百分比。这些时间的范围从0%到100%，但全部三项加起来等于100%。一个具有高“系统”百分比的系统表明其大部分时间都消耗在了内核上。像oprofile一样的工具可以帮助确定时间都消耗在了哪里。具有高“用户”时间的系统则将其大部分时间都用来运行应用程序。下一章展示在上述情况下，如何用性能工具追踪问题。如果系统在应该工作的时候花费了大量的时间处于iowait状态，那它很可能在等待来自设备的I/O。导致速度变慢的原因可能是磁盘、网卡或其他设备。