【Linux】22、CPU 评价指标、性能工具、定位瓶颈、优化方法论：应用程序和系统

一、评价 CPU 的指标

1.1 CPU 使用率

CPU 使用率描述了非空闲时间占总 CPU 时间的百分比，根据 CPU 上运行任务的不同，又被分为用户 CPU、系统 CPU、等待 I/O CPU、软中断和硬中断等。

• 用户 CPU 使用率，包括用户态 CPU 使用率（user）和低优先级用户态 CPU 使用率（nice），表示 CPU 在用户态运行的时间百分比。用户 CPU 使用率高，通常说明有应用程序比较繁忙。
• 系统 CPU 使用率，表示 CPU 在内核态运行的时间百分比（不包括中断）。系统 CPU 使用率高，说明内核比较繁忙。
• 等待 I/O 的 CPU 使用率，通常也称为 iowait，表示等待 I/O 的时间百分比。iowait 高，通常说明系统与硬件设备的 I/O 交互时间比较长。
• 软中断和硬中断的 CPU 使用率，分别表示内核调用软中断处理程序、硬中断处理程序的时间百分比。它们的使用率高，通常说明系统发生了大量的中断。
• 除了上面这些，还有在虚拟化环境中会用到的窃取 CPU 使用率（steal）和客户 CPU 使用率（guest），分别表示被其他虚拟机占用的 CPU 时间百分比，和运行客户虚拟机的 CPU 时间百分比。

1.2 平均负载（Load Average）

即系统的平均活跃进程数。它反应了系统的整体负载情况，主要包括三个数值，分别指过去 1 分钟、过去 5 分钟和过去 15 分钟的平均负载。

理想情况下，平均负载等于逻辑 CPU 个数，这表示每个 CPU 都恰好被充分利用。如果平均负载大于逻辑 CPU 个数，就表示负载比较重了。

1.3 上下文切换

进程上下文切换，包括：

• 无法获取资源而导致的自愿上下文切换；
• 被系统强制调度导致的非自愿上下文切换。

上下文切换，本身是保证 Linux 正常运行的一项核心功能。但过多的上下文切换，会将原本运行进程的 CPU 时间，消耗在寄存器、内核栈以及虚拟内存等数据的保存和恢复上，缩短进程真正运行的时间，成为性能瓶颈。

1.4 CPU 缓存命中率

由于 CPU 发展的速度远快于内存的发展，CPU 的处理速度就比内存的访问速度快得多。这样，CPU 在访问内存的时候，免不了要等待内存的响应。为了协调这两者巨大的性能差距，CPU 缓存（通常是多级缓存）就出现了。

就像上面这张图显示的，CPU 缓存的速度介于 CPU 和内存之间，缓存的是热点的内存数据。根据不断增长的热点数据，这些缓存按照大小不同分为 L1、L2、L3 等三级缓存，其中 L1 和 L2 常用在单核中， L3 则用在多核中。

从 L1 到 L3，三级缓存的大小依次增大，相应的，性能依次降低（当然比内存还是好得多）。而它们的命中率，衡量的是 CPU 缓存的复用情况，命中率越高，则表示性能越好。

总结如下图：

二、性能工具

掌握了 CPU 的性能指标，我们还需要知道，怎样去获取这些指标，也就是工具的使用。

你还记得前面案例都用了哪些工具吗？这里我们也一起回顾一下 CPU 性能工具。

首先，平均负载的案例。我们先用 uptime， 查看了系统的平均负载；而在平均负载升高后，又用 mpstat 和 pidstat ，分别观察了每个 CPU 和每个进程 CPU 的使用情况，进而找出了导致平均负载升高的进程，也就是我们的压测工具 stress。

第二个，上下文切换的案例。我们先用 vmstat ，查看了系统的上下文切换次数和中断次数；然后通过 pidstat ，观察了进程的自愿上下文切换和非自愿上下文切换情况；最后通过 pidstat ，观察了线程的上下文切换情况，找出了上下文切换次数增多的根源，也就是我们的基准测试工具 sysbench。

第三个，进程 CPU 使用率升高的案例。我们先用 top ，查看了系统和进程的 CPU 使用情况，发现 CPU 使用率升高的进程是 php-fpm；再用 perf top ，观察 php-fpm 的调用链，最终找出 CPU 升高的根源，也就是库函数 sqrt() 。

第四个，系统的 CPU 使用率升高的案例。我们先用 top 观察到了系统 CPU 升高，但通过 top 和 pidstat ，却找不出高 CPU 使用率的进程。于是，我们重新审视 top 的输出，又从 CPU 使用率不高但处于 Running 状态的进程入手，找出了可疑之处，最终通过 perf record 和 perf report ，发现原来是短时进程在捣鬼。

另外，对于短时进程，我还介绍了一个专门的工具 execsnoop，它可以实时监控进程调用的外部命令。

第五个，不可中断进程和僵尸进程的案例。我们先用 top 观察到了 iowait 升高的问题，并发现了大量的不可中断进程和僵尸进程；接着我们用 dstat 发现是这是由磁盘读导致的，于是又通过 pidstat 找出了相关的进程。但我们用 strace 查看进程系统调用却失败了，最终还是用 perf 分析进程调用链，才发现根源在于磁盘直接 I/O 。

最后一个，软中断的案例。我们通过 top 观察到，系统的软中断 CPU 使用率升高；接着查看 /proc/softirqs， 找到了几种变化速率较快的软中断；然后通过 sar 命令，发现是网络小包的问题，最后再用 tcpdump ，找出网络帧的类型和来源，确定是一个 SYN FLOOD 攻击导致的。

到这里，估计你已经晕了吧，原来短短几个案例，我们已经用过十几种 CPU 性能工具了，而且每种工具的适用场景还不同呢！这么多的工具要怎么区分呢？在实际的性能分析中，又该怎么选择呢？

我的经验是，从两个不同的维度来理解它们，做到活学活用。

2.1 维度：从 CPU 性能指标出发，即当你查看某性能指标时，要清除知道哪些工具可以做到

根据不同的性能指标，对提供指标的性能工具进行分类和理解。这样，在实际排查性能问题时，你就可以清楚知道，什么工具可以提供你想要的指标，而不是毫无根据地挨个尝试，撞运气。

其实，我在前面的案例中已经多次用到了这个思路。比如用 top 发现了软中断 CPU 使用率高后，下一步自然就想知道具体的软中断类型。那在哪里可以观察各类软中断的运行情况呢？当然是 proc 文件系统中的 /proc/softirqs 这个文件。

紧接着，比如说，我们找到的软中断类型是网络接收，那就要继续往网络接收方向思考。系统的网络接收情况是什么样的？什么工具可以查到网络接收情况呢？在我们案例中，用的正是 dstat。

虽然你不需要把所有工具背下来，但如果能理解每个指标对应的工具的特性，一定更高效、更灵活地使用。这里，我把提供 CPU 性能指标的工具做成了一个表格，方便你梳理关系和理解记忆，当然，你也可以当成一个“指标工具”指南来使用。

2.2 维度：从工具出发，即当你已经安装了某个工具后，要知道这个工具能提供哪些指标

这在实际环境特别是生产环境中也是非常重要的，因为很多情况下，你并没有权限安装新的工具包，只能最大化地利用好系统中已经安装好的工具，这就需要你对它们有足够的了解。

具体到每个工具的使用方法，一般都支持丰富的配置选项。不过不用担心，这些配置选项并不用背下来。你只要知道有哪些工具、以及这些工具的基本功能是什么就够了。真正要用到的时候， 通过 man 命令，查它们的使用手册就可以了。

同样的，我也将这些常用工具汇总成了一个表格，方便你区分和理解，自然，你也可以当成一个“工具指标”指南使用，需要时查表即可。

三、如何迅速分析 CPU 的性能瓶颈

我相信到这一步，你对 CPU 的性能指标已经非常熟悉，也清楚每种性能指标分别能用什么工具来获取。

那是不是说，每次碰到 CPU 的性能问题，你都要把上面这些工具全跑一遍，然后再把所有的 CPU 性能指标全分析一遍呢？

你估计觉得这种简单查找的方式，就像是在傻找。不过，别笑话，因为最早的时候我就是这么做的。把所有的指标都查出来再统一分析，当然是可以的，也很可能找到系统的潜在瓶颈。

但是这种方法的效率真的太低了！耗时耗力不说，在庞大的指标体系面前，你一不小心可能就忽略了某个细节，导致白干一场。我就吃过好多次这样的苦。

所以，在实际生产环境中，我们通常都希望尽可能快地定位系统的瓶颈，然后尽可能快地优化性能，也就是要又快又准地解决性能问题。

那有没有什么方法，可以又快又准找出系统瓶颈呢？答案是肯定的。

虽然 CPU 的性能指标比较多，但要知道，既然都是描述系统的 CPU 性能，它们就不会是完全孤立的，很多指标间都有一定的关联。想弄清楚性能指标的关联性，就要通晓每种性能指标的工作原理。这也是为什么我在介绍每个性能指标时，都要穿插讲解相关的系统原理，希望你能记住这一点。

举个例子，用户 CPU 使用率高，我们应该去排查进程的用户态而不是内核态。因为用户 CPU 使用率反映的就是用户态的 CPU 使用情况，而内核态的 CPU 使用情况只会反映到系统 CPU 使用率上。

你看，有这样的基本认识，我们就可以缩小排查的范围，省时省力。

所以，为了缩小排查范围，我通常会先运行几个支持指标较多的工具，如 top、vmstat 和 pidstat 。为什么是这三个工具呢？仔细看看下面这张图，你就清楚了。

这张图里，我列出了 top、vmstat 和 pidstat 分别提供的重要的 CPU 指标，并用虚线表示关联关系，对应出了性能分析下一步的方向。

通过这张图你可以发现，这三个命令，几乎包含了所有重要的 CPU 性能指标，比如：

• 从 top 的输出可以得到各种 CPU 使用率以及僵尸进程和平均负载等信息。
• 从 vmstat 的输出可以得到上下文切换次数、中断次数、运行状态和不可中断状态的进程数。
• 从 pidstat 的输出可以得到进程的用户 CPU 使用率、系统 CPU 使用率、以及自愿上下文切换和非自愿上下文切换情况。

另外，这三个工具输出的很多指标是相互关联的，所以，我也用虚线表示了它们的关联关系，举几个例子你可能会更容易理解。

• 第一个例子，pidstat 输出的进程用户 CPU 使用率升高，会导致 top 输出的用户 CPU 使用率升高。所以，当发现 top 输出的用户 CPU 使用率有问题时，可以跟 pidstat 的输出做对比，观察是否是某个进程导致的问题。
  • 而找出导致性能问题的进程后，就要用进程分析工具来分析进程的行为，比如使用 strace 分析系统调用情况，以及使用 perf 分析调用链中各级函数的执行情况。
• 第二个例子，top 输出的平均负载升高，可以跟 vmstat 输出的运行状态和不可中断状态的进程数做对比，观察是哪种进程导致的负载升高。
  • 如果是不可中断进程数增多了，那么就需要做 I/O 的分析，也就是用 dstat 或 sar 等工具，进一步分析 I/O 的情况。
  • 如果是运行状态进程数增多了，那就需要回到 top 和 pidstat，找出这些处于运行状态的到底是什么进程，然后再用进程分析工具，做进一步分析。
• 最后一个例子，当发现 top 输出的软中断 CPU 使用率升高时，可以查看 /proc/softirqs 文件中各种类型软中断的变化情况，确定到底是哪种软中断出的问题。比如，发现是网络接收中断导致的问题，那就可以继续用网络分析工具 sar 和 tcpdump 来分析。

四、性能优化方法论

在我们历经千辛万苦，通过各种性能分析方法，终于找到引发性能问题的瓶颈后，是不是立刻就要开始优化了呢？别急，动手之前，你可以先看看下面这三个问题。

• 首先，既然要做性能优化，那要怎么判断它是不是有效呢？特别是优化后，到底能提升多少性能呢？
• 第二，性能问题通常不是独立的，如果有多个性能问题同时发生，你应该先优化哪一个呢？
• 第三，提升性能的方法并不是唯一的，当有多种方法可以选择时，你会选用哪一种呢？是不是总选那个最大程度提升性能的方法就行了呢？

如果你可以轻松回答这三个问题，那么二话不说就可以开始优化。

比如，在前面的不可中断进程案例中，通过性能分析，我们发现是因为一个进程的直接 I/O ，导致了 iowait 高达 90%。那是不是用“直接 I/O 换成缓存 I/O”的方法，就可以立即优化了呢？

按照上面讲的，你可以先自己思考下那三点。如果不能确定，我们一起来看看。

• 第一个问题，直接 I/O 换成缓存 I/O，可以把 iowait 从 90% 降到接近 0，性能提升很明显。
• 第二个问题，我们没有发现其他性能问题，直接 I/O 是唯一的性能瓶颈，所以不用挑选优化对象。
• 第三个问题，缓存 I/O 是我们目前用到的最简单的优化方法，而且这样优化并不会影响应用的功能。

好的，这三个问题很容易就能回答，所以立即优化没有任何问题。

但是，很多现实情况，并不像我举的例子那么简单。性能评估可能有多重指标，性能问题可能会多个同时发生，而且，优化某一个指标的性能，可能又导致其他指标性能的下降。

那么，面对这种复杂的情况，我们该怎么办呢？

接下来，我们就来深入分析这三个问题。

4.1 评估性能优化效果

首先，来看第一个问题，怎么评估性能优化的效果。

我们解决性能问题的目的，自然是想得到一个性能提升的效果。为了评估这个效果，我们需要对系统的性能指标进行量化，并且要分别测试出优化前、后的性能指标，用前后指标的变化来对比呈现效果。我把这个方法叫做性能评估“三步走”。

• 确定性能的量化指标。
• 测试优化前的性能指标。
• 测试优化后的性能指标。
  先看第一步，性能的量化指标有很多，比如 CPU 使用率、应用程序的吞吐量、客户端请求的延迟等，都可以评估性能。那我们应该选择什么指标来评估呢？

我的建议是不要局限在单一维度的指标上，你至少要从应用程序和系统资源这两个维度，分别选择不同的指标。比如，以 Web 应用为例：

• 应用程序的维度，我们可以用吞吐量和请求延迟来评估应用程序的性能。
• 系统资源的维度，我们可以用 CPU 使用率来评估系统的 CPU 使用情况。

之所以从这两个不同维度选择指标，主要是因为应用程序和系统资源这两者间相辅相成的关系。

• 好的应用程序是性能优化的最终目的和结果，系统优化总是为应用程序服务的。所以，必须要使用应用程序的指标，来评估性能优化的整体效果。
• 系统资源的使用情况是影响应用程序性能的根源。所以，需要用系统资源的指标，来观察和分析瓶颈的来源。

至于接下来的两个步骤，主要是为了对比优化前后的性能，更直观地呈现效果。如果你的第一步，是从两个不同维度选择了多个指标，那么在性能测试时，你就需要获得这些指标的具体数值。

还是以刚刚的 Web 应用为例，对应上面提到的几个指标，我们可以选择 ab 等工具，测试 Web 应用的并发请求数和响应延迟。而测试的同时，还可以用 vmstat、pidstat 等性能工具，观察系统和进程的 CPU 使用率。这样，我们就同时获得了应用程序和系统资源这两个维度的指标数值。

不过，在进行性能测试时，有两个特别重要的地方你需要注意下。

• 第一，要避免性能测试工具干扰应用程序的性能。通常，对 Web 应用来说，性能测试工具跟目标应用程序要在不同的机器上运行。
  • 比如，在之前的 Nginx 案例中，我每次都会强调要用两台虚拟机，其中一台运行 Nginx 服务，而另一台运行模拟客户端的工具，就是为了避免这个影响。
• 第二，避免外部环境的变化影响性能指标的评估。这要求优化前、后的应用程序，都运行在相同配置的机器上，并且它们的外部依赖也要完全一致。

比如还是拿 Nginx 来说，就可以运行在同一台机器上，并用相同参数的客户端工具来进行性能测试。

4.2 多个性能问题同时存在，要怎么选择？

再来看第二个问题，开篇词里我们就说过，系统性能总是牵一发而动全身，所以性能问题通常也不是独立存在的。那当多个性能问题同时发生的时候，应该先去优化哪一个呢？

在性能测试的领域，流传很广的一个说法是“二八原则”，也就是说 80% 的问题都是由 20% 的代码导致的。只要找出这 20% 的位置，你就可以优化 80% 的性能。所以，我想表达的是，并不是所有的性能问题都值得优化。

我的建议是，动手优化之前先动脑，先把所有这些性能问题给分析一遍，找出最重要的、可以最大程度提升性能的问题，从它开始优化。这样的好处是，不仅性能提升的收益最大，而且很可能其他问题都不用优化，就已经满足了性能要求。

那关键就在于，怎么判断出哪个性能问题最重要。这其实还是我们性能分析要解决的核心问题，只不过这里要分析的对象，从原来的一个问题，变成了多个问题，思路其实还是一样的。

所以，你依然可以用我前面讲过的方法挨个分析，分别找出它们的瓶颈。分析完所有问题后，再按照因果等关系，排除掉有因果关联的性能问题。最后，再对剩下的性能问题进行优化。

如果剩下的问题还是好几个，你就得分别进行性能测试了。比较不同的优化效果后，选择能明显提升性能的那个问题进行修复。这个过程通常会花费较多的时间，这里，我推荐两个可以简化这个过程的方法。

第一，如果发现是系统资源达到了瓶颈，比如 CPU 使用率达到了 100%，那么首先优化的一定是系统资源使用问题。完成系统资源瓶颈的优化后，我们才要考虑其他问题。

第二，针对不同类型的指标，首先去优化那些由瓶颈导致的，性能指标变化幅度最大的问题。比如产生瓶颈后，用户 CPU 使用率升高了 10%，而系统 CPU 使用率却升高了 50%，这个时候就应该首先优化系统 CPU 的使用。

4.3 有多种优化方法时，要如何选择?

接着来看第三个问题，当多种方法都可用时，应该选择哪一种呢？是不是最大提升性能的方法，一定最好呢？

一般情况下，我们当然想选能最大提升性能的方法，这其实也是性能优化的目标。

但要注意，现实情况要考虑的因素却没那么简单。最直观来说，性能优化并非没有成本。性能优化通常会带来复杂度的提升，降低程序的可维护性，还可能在优化一个指标时，引发其他指标的异常。也就是说，很可能你优化了一个指标，另一个指标的性能却变差了。

一个很典型的例子是我将在网络部分讲到的 DPDK（Data Plane Development Kit）。DPDK 是一种优化网络处理速度的方法，它通过绕开内核网络协议栈的方法，提升网络的处理能力。

不过它有一个很典型的要求，就是要独占一个 CPU 以及一定数量的内存大页，并且总是以 100% 的 CPU 使用率运行。所以，如果你的 CPU 核数很少，就有点得不偿失了。

所以，在考虑选哪个性能优化方法时，你要综合多方面的因素。切记，不要想着“一步登天”，试图一次性解决所有问题；也不要只会“拿来主义”，把其他应用的优化方法原封不动拿来用，却不经过任何思考和分析。

五、CPU 优化

清楚了性能优化最基本的三个问题后，我们接下来从应用程序和系统的角度，分别来看看如何才能降低 CPU 使用率，提高 CPU 的并行处理能力。

5.1 应用程序优化

首先，从应用程序的角度来说，降低 CPU 使用率的最好方法当然是，排除所有不必要的工作，只保留最核心的逻辑。比如减少循环的层次、减少递归、减少动态内存分配等等。

除此之外，应用程序的性能优化也包括很多种方法，我在这里列出了最常见的几种，你可以记下来。

• 编译器优化：很多编译器都会提供优化选项，适当开启它们，在编译阶段你就可以获得编译器的帮助，来提升性能。比如， gcc 就提供了优化选项 -O2，开启后会自动对应用程序的代码进行优化。
• 算法优化：使用复杂度更低的算法，可以显著加快处理速度。比如，在数据比较大的情况下，可以用 O(nlogn) 的排序算法（如快排、归并排序等），代替 O(n^2) 的排序算法（如冒泡、插入排序等）。
• 异步处理：使用异步处理，可以避免程序因为等待某个资源而一直阻塞，从而提升程序的并发处理能力。比如，把轮询替换为事件通知，就可以避免轮询耗费 CPU 的问题。
• 多线程代替多进程：前面讲过，相对于进程的上下文切换，线程的上下文切换并不切换进程地址空间，因此可以降低上下文切换的成本。
• 善用缓存：经常访问的数据或者计算过程中的步骤，可以放到内存中缓存起来，这样在下次用时就能直接从内存中获取，加快程序的处理速度。

5.2 系统优化

从系统的角度来说，优化 CPU 的运行，一方面要充分利用 CPU 缓存的本地性，加速缓存访问；另一方面，就是要控制进程的 CPU 使用情况，减少进程间的相互影响。

具体来说，系统层面的 CPU 优化方法也有不少，这里我同样列举了最常见的一些方法，方便你记忆和使用。

• 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。

5.3 千万避免过早优化

掌握上面这些优化方法后，我估计，很多人即使没发现性能瓶颈，也会忍不住把各种各样的优化方法带到实际的开发中。

不过，我想你一定听说过高德纳的这句名言， “过早优化是万恶之源”，我也非常赞同这一点，过早优化不可取。

因为，一方面，优化会带来复杂性的提升，降低可维护性；另一方面，需求不是一成不变的。针对当前情况进行的优化，很可能并不适应快速变化的新需求。这样，在新需求出现时，这些复杂的优化，反而可能阻碍新功能的开发。

所以，性能优化最好是逐步完善，动态进行，不追求一步到位，而要首先保证能满足当前的性能要求。当发现性能不满足要求或者出现性能瓶颈时，再根据性能评估的结果，选择最重要的性能问题进行优化。

一定要忍住“把 CPU 性能优化到极致”的冲动，因为 CPU 并不是唯一的性能因素。还有更多的性能问题：比如内存、网络、I/O 甚至是架构设计的问题。

如果不做全方位的分析和测试，只是单纯地把某个指标提升到极致，并不一定能带来整体的收益。