性能测试之 cpu 篇

1 前言：

2.1 cpu 介绍

2.1.1 上下文切换

2.1.2 运行队列

2.1.3 CPU 利用率

2.2 cpu 性能监控

2.2.1 vmstat 的使用

2.2.2 案例学习:持续的 CPU 利用率

2.2.3 案例学习:超负荷调度

2.2.4. mpstat 工具的使用

2.2.5. 案例学习: 未充分使用的处理量

2.3. 结论

1 前言：

性能测试是软件测试中的一种技术，它的目的是检查软件的性能和稳定性。CPU 是计算机中的一个重要组件，它负责处理计算机的指令，并执行计算机的任务。在性能测试中，CPU 的性能是一个重要的指标，因为它可以帮助我们更好地理解和分析性能测试的结果。

2.1 cpu 介绍

CPU 利用率主要依赖于是什么资源在试图存取.内核调度器将负责调度 2 种资源种类:线程 (单一或者多路) 和中断.调度器去定义不同资源的不同优先权.以下列表从优先级高到低排列：

Interrupts(译注:中断) - 设备通知内核,他们完成一次数据处理的过程.例子,当一块网卡设备递送网络数据包或者一块硬件提供了一次 IO 请求.
Kernel(System) Processes(译注:内核处理过程) - 所有内核处理过程就是控制优先级别.
User Processes(译注:用户进程) - 这块涉及” userland”.所有软件程序都运行在这个 user space.这块在内核调度机制中处于低优先级.

从上面,我们可以看出内核是怎样管理不同资源的.还有几个关键内容需要介绍,以下部分就将介绍 context(译注:上下文切换),run queues(译注:运行队列) 以及 utilization(译注:利用率).

2.1.1 上下文切换

多数现代处理器都能够运行一个进程 (单一线程) 或者线程.多路超线程处理器有能力运行多个线程.然而,Linux 内核还是把每个处理器核心的双核心芯片作为独立的处理器.比如,以 Linux 内核的系统在一个双核心处理器上,是报告显示为两个独立的处理器.

一个标准的 Linux 内核可以运行 50 至 50,000 的处理线程.在只有一个 CPU 时,内核将调度并均衡每个进程线程.每个线程都分配一个在处理器中被开销的时间额度.一个线程要么就是获得时间额度或已抢先获得一些具有较高优先级 (比如硬件中断),其中较高优先级的线程将从区域重新放置回处理器的队列中.这种线程的转换关系就是我们提到的上下文切换.

每次内核的上下文切换,资源被用于关闭在 CPU 寄存器中的线程和放置在队列中.系统中越多的上下文切换,在处理器的调度管理下,内核将得到更多的工作.

2.1.2 运行队列

每个 CPU 都维护一个线程的运行队列.理论上,调度器应该不断的运行和执行线程.进程线程不是在 sleep 状态中 (译注:阻塞中和等待 IO 中) 或就是在可运行状态中.如果 CPU 子系统处于高负荷下,那就意味着内核调度将无法及时响应系统请求.导致结果,可运行状态进程拥塞在运行队列里.当运行队列越来越巨大,进程线程将花费更多的时间获取被执行.

比较流行的术语就是” load”,它提供当前运行队列的详细状态.系统 load 就是指在 CPU 队列中有多少数目的线程,以及其中当前有多少进程线程数目被执行的组合.如果一个双核系统执行了 2 个线程,还有 4 个在运行队列中,则 load 应该为 6. top 这个程序里显示的 load averages 是指 1,5,15 分钟以内的 load 情况.

2.1.3 CPU 利用率

CPU 利用率就是定义 CPU 使用的百分比.评估系统最重要的一个度量方式就是 CPU 的利用率.多数性能监控工具关于 CPU 利用率的分类有以下几种:

User Time(译注:用户进程时间) - 关于在 user space 中被执行进程在 CPU 开销时间百分比.
System Time(译注:内核线程以及中断时间) - 关于在 kernel space 中线程和中断在 CPU 开销时间百分比.
Wait IO(译注:IO 请求等待时间) - 所有进程线程被阻塞等待完成一次 IO 请求所占 CPU 开销 idle 的时间百分比.
Idle(译注:空闲) - 一个完整空闲状态的进程在 CPU 处理器中开销的时间百分比.

2.2 cpu 性能监控

理解运行队列,利用率,上下文切换对怎样 CPU 性能最优化之间的关系.早期提及到,性能是相对于基准线数据的.在一些系统中,通常预期所达到的性能包括：

Run Queues - 每个处理器应该运行队列不超过 1-3 个线程.例子,一个双核处理器应该运行队列不要超过 6 个线程。
CPU Utiliation - 如果一个 CPU 被充分使用,利用率分类之间均衡的比例应该是：

65% - 70% User Time
30% - 35% System Time
0% - 5%   Idle Time

Context Switches - 上下文切换的数目直接关系到 CPU 的使用率,如果 CPU 利用率保持在上述均衡状态时,大量的上下文切换是正常的.

很多 Linux 上的工具可以得到这些状态值,首先就是 vmstat 和 top 这 2 个工具。

2.2.1 vmstat 的使用

vmstat 工具提供了一种低开销的系统性能观察方式.因为 vmstat 本身就是低开销工具,在非常高负荷的服务器上,你需要查看并监控系统的健康情况,在控制窗口还是能够使用 vmstat 输出结果.这个工具运行在 2 种模式下:average 和 sample 模式.sample 模式通过指定间隔时间测量状态值.这个模式对于理解在持续负荷下的性能表现,很有帮助.下面就是

vmstat 运行 1 秒间隔的示例：

# vmstat 1
procs ———–memory———- —swap– —–io—- –system– —-cpu—-
r b   swpd   free   buff cache   si   so   bi   bo   in   cs us sy id wa
0  0 104300  16800  95328  72200    0    0     5    26    7    14  4  1 95  0
0  0 104300  16800  95328  72200    0    0     0    24 1021    64  1  1 98  0
0  0 104300  16800  95328  72200    0    0     0     0 1009    59  1  1 98  0

2.2.2 案例学习:持续的 CPU 利用率

在这个例子中,这个系统被充分利用

# vmstat 1
procs                     memory     swap         io     system         cpu
r b   swpd   free   buff cache   si   so   bi   bo   in   cs us sy wa id
3 0 206564 15092 80336 176080   0   0     0     0 718   26 81 19 0 0
2 0 206564 14772 80336 176120   0   0     0     0 758   23 96 4 0 0
1 0 206564 14208 80336 176136   0   0     0     0 820   20 96 4 0 0
1 0 206956 13884 79180 175964   0 412     0 2680 1008   80 93 7 0 0
2 0 207348 14448 78800 175576   0 412     0   412 763   70 84 16 0 0
2 0 207348 15756 78800 175424   0   0     0     0 874   25 89 11 0 0
1 0 207348 16368 78800 175596   0   0     0     0 940   24 86 14 0 0
1 0 207348 16600 78800 175604   0   0     0     0 929   27 95 3 0 2
3 0 207348 16976 78548 175876   0   0     0 2508 969   35 93 7 0 0
4 0 207348 16216 78548 175704   0   0     0     0 874   36 93 6 0 1
4 0 207348 16424 78548 175776   0   0     0     0 850   26 77 23 0 0
2 0 207348 17496 78556 175840   0   0     0     0 736   23 83 17 0 0
0 0 207348 17680 78556 175868   0   0     0     0 861   21 91 8 0 1

根据观察值,我们可以得到以下结论：

有大量的中断 (in) 和较少的上下文切换 (cs).这意味着一个单一的进程在产生对硬件设备的请求.
进一步显示某单个应用,user time(us) 经常在 85% 或者更多.考虑到较少的上下文切换,这个应用应该还在处理器中被处理.
运行队列还在可接受的性能范围内,其中有 2 个地方,是超出了允许限制.

2.2.3 案例学习:超负荷调度

在这个例子中,内核调度中的上下文切换处于饱和

# vmstat 1
procs                     memory     swap         io     system         cpu
r b   swpd   free   buff cache   si   so   bi   bo   in   cs us sy wa id
2 1 207740 98476 81344 180972   0   0 2496     0 900 2883 4 12 57 27
0 1 207740 96448 83304 180984   0   0 1968   328 810 2559 8 9 83 0
0 1 207740 94404 85348 180984   0   0 2044     0 829 2879 9 6 78 7
0 1 207740 92576 87176 180984   0   0 1828     0 689 2088 3 9 78 10
2 0 207740 91300 88452 180984   0   0 1276     0 565 2182 7 6 83 4
3 1 207740 90124 89628 180984   0   0 1176     0 551 2219 2 7 91 0
4 2 207740 89240 90512 180984   0   0   880   520 443   907 22 10 67 0
5 3 207740 88056 91680 180984   0   0 1168     0 628 1248 12 11 77 0
4 2 207740 86852 92880 180984   0   0 1200     0 654 1505 6 7 87 0
6 1 207740 85736 93996 180984   0   0 1116     0 526 1512 5 10 85 0
0 1 207740 84844 94888 180984   0   0   892     0 438 1556 6 4 90 0

根据观察值,我们可以得到以下结论：

上下文切换数目高于中断数目,说明 kernel 中相当数量的时间都开销在上下文切换线程.
大量的上下文切换将导致 CPU 利用率分类不均衡.很明显实际上等待 io 请求的百分比 (wa) 非常高,以及 user time 百分比非常低 (us).
因为 CPU 都阻塞在 IO 请求上,所以运行队列里也有相当数目的可运行状态线程在等待执行.

2.2.4. mpstat 工具的使用

如果你的系统运行在多处理器芯片上,你可以使用 mpstat 命令来监控每个独立的芯片.Linux 内核视双核处理器为 2 CPU’s,因此一个双核处理器的双内核就报告有 4 CPU’s 可用.

mpstat 命令给出的 CPU 利用率统计值大致和 vmstat 一致,但是 mpstat 可以给出基于单个处理器的统计值.

# mpstat –P ALL 1
Linux 2.4.21-20.ELsmp (localhost.localdomain)   05/23/2006

05:17:31 PM CPU   %user   %nice %system   %idle   intr/s
05:17:32 PM all   0.00   0.00   3.19   96.53     13.27
05:17:32 PM   0   0.00   0.00   0.00 100.00     0.00
05:17:32 PM   1   1.12   0.00   12.73   86.15     13.27
05:17:32 PM   2   0.00   0.00   0.00 100.00     0.00
05:17:32 PM   3   0.00   0.00   0.00 100.00     0.00

2.2.5. 案例学习: 未充分使用的处理量

在这个例子中,为 4 CPU 核心可用.其中 2 个 CPU 主要处理进程运行 (CPU 0 和 1).第 3 个核心处理所有内核和其他系统功能 (CPU 3).第 4 个核心处于 idle(CPU 2).

使用 top 命令可以看到有 3 个进程差不多完全占用了整个 CPU 核心.

# top -d 1
top - 23:08:53 up 8:34, 3 users, load average: 0.91, 0.37, 0.13
Tasks: 190 total,   4 running, 186 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
Cpu(s): 75.2% us, 0.2% sy, 0.0% ni, 24.5% id, 0.0% wa, 0.0% hi, 0.0%
si
Mem:   2074736k total,   448684k used, 1626052k free,   73756k buffers
Swap: 4192956k total,       0k used, 4192956k free,   259044k cached

PID USER     PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM   TIME+ COMMAND
15957 nobody   25   0 2776 280 224 R 100 20.5 0:25.48 php
15959 mysql     25   0 2256 280 224 R 100 38.2 0:17.78 mysqld
15960 apache   25   0 2416 280 224 R 100 15.7 0:11.20 httpd
15901 root     16   0 2780 1092 800 R   1 0.1   0:01.59 top
1 root     16   0 1780 660 572 S   0 0.0   0:00.64 init

# mpstat –P ALL 1
Linux 2.4.21-20.ELsmp (localhost.localdomain)   05/23/2006

05:17:31 PM CPU   %user   %nice %system   %idle   intr/s
05:17:32 PM all   81.52   0.00   18.48   21.17   130.58
05:17:32 PM   0   83.67   0.00   17.35   0.00   115.31
05:17:32 PM   1   80.61   0.00   19.39   0.00     13.27
05:17:32 PM   2   0.00   0.00   16.33   84.66     2.01
05:17:32 PM   3   79.59   0.00   21.43   0.00     0.00

05:17:32 PM CPU   %user   %nice %system   %idle   intr/s
05:17:33 PM all   85.86   0.00   14.14   25.00   116.49
05:17:33 PM   0   88.66   0.00   12.37   0.00   116.49
05:17:33 PM   1   80.41   0.00   19.59   0.00     0.00
05:17:33 PM   2   0.00   0.00   0.00 100.00     0.00
05:17:33 PM   3   83.51   0.00   16.49   0.00     0.00

05:17:33 PM CPU   %user   %nice %system   %idle   intr/s
05:17:34 PM all   82.74   0.00   17.26   25.00   115.31
05:17:34 PM   0   85.71   0.00   13.27   0.00   115.31
05:17:34 PM   1   78.57   0.00   21.43   0.00     0.00
05:17:34 PM   2   0.00   0.00   0.00 100.00     0.00
05:17:34 PM   3   92.86   0.00   9.18   0.00     0.00

05:17:34 PM CPU   %user   %nice %system   %idle   intr/s
05:17:35 PM all   87.50   0.00   12.50   25.00   115.31
05:17:35 PM   0   91.84   0.00   8.16   0.00   114.29
05:17:35 PM   1   90.82   0.00   10.20   0.00     1.02
05:17:35 PM   2   0.00   0.00   0.00 100.00     0.00
05:17:35 PM   3   81.63   0.00   15.31   0.00     0.00

你也可以使用 ps 命令通过查看 PSR 这列,检查哪个进程在占用了哪个 CPU.

# while :; do ps -eo pid,ni,pri,pcpu,psr,comm | grep ‘mysqld’; sleep 1;
done
PID NI PRI %CPU PSR COMMAND
15775   0  15 86.0   3 mysqld
PID NI PRI %CPU PSR COMMAND
15775   0  14 94.0   3 mysqld
PID NI PRI %CPU PSR COMMAND
15775   0  14 96.6   3 mysqld
PID NI PRI %CPU PSR COMMAND
15775   0  14 98.0   3 mysqld
PID NI PRI %CPU PSR COMMAND
15775   0  14 98.8   3 mysqld
PID NI PRI %CPU PSR COMMAND
15775   0  14 99.3   3 mysqld