Linux 测试cpu性能详解

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在这篇文章中,主要介绍Linux 测试cpu性能的一些基础知识.首先介绍一下Linux kernel中的调度器(scheduler),调度器负责调度系统中的两种资源，一是线程，二是中断。调度器给不同资源不同的优先级。

Linux 测试cpu性能从高到低为：

1. 硬件中断（Hardware Interrupts）--这些请求由硬件触发，比如磁盘已经完成了读写任务或是网卡受到了新的数据包。

2. 软件中断（Software Interrupts)--这里指的是维护内核运行的内核态软件中断。比如内核的时钟管理进程。

3. 实时进程（Real time threads)--实时进程比内核本身具备更高的优先级，它可以抢占内核的CPU时间片，在2.4内核是一个不可抢占的内核，它中不支持实时程序。

4. 内核进程（Kernel threads）--包括所以的内核程序。

5. 用户进程（User threads）-- 所有运行在用户态的进程。

关于Linux 测试cpu性能，有3个重要的概念：上下文切换（context switchs），运行队列（Run queue）和使用率（utilization）。

上下文切换：

目前流行的CPU在同一时间内只能运行一个线程，超线程的处理器可以在同一时间运行多个线程（包括多核CPU），Linux内核会把多核的处理器当作多个单独的CPU来识别。

一个标准的Linux内核何以支持运行50～50000个进程运行，对于普通的CPU，内核会调度和执行这些进程。每个进程都会分到CPU的时间片来运行，当一个进程用完时间片或者被更高优先级的进程抢占后，它会备份到CPU的运行队列中，同时其他进程在CPU上运行。这个进程切换的过程被称作上下文切换。过多的上下文切换会造成系统很大的开销。

运行队列：

每个CPU都会维持一个运行队列，理想情况下，调度器会不断让队列中的进程运行。进程不是处在sleep状态就是run able状态。 如果CPU过载，就会出现调度器跟不上系统的要求，导致可运行的进程会填满队列。队列愈大，程序执行时间就愈长。“load”用来表示运行队列，用top命令我们可以看到CPU一分钟，5分钟和15分钟内的运行队列的大小。这个值越大表明系统负荷越大。

Linux 测试cpu性能CPU使用率：

CPU使用率可分为一下几个部分

User Time—执行用户进程的时间百分比；

System Time—执行内核进程和中断的时间百分比；

Wait IO—因为IO等待而使CPU处于idle状态的时间百分比；

Idle—CPU处于Idle状态的时间百分比。

关于时间片和动态优先级：

时间片对于CPU来说是很关键的参数，如果时间片太长，就会使系统的交互性能变差，用户感觉不到并行。如果太短，又会造成系统频繁的上下文切换，使性能下降。对于IO Bound的系统来讲并不需要太长的时间片，因为系统主要是IO操作；而对于CPU Bound的系统来说需要长的时间片以保持cache的有效性。每一个进程启动的时候系统都会给出一个默认的优先级，但在运行过程中，系统会根据进程的运行状况不断调整优先级，内核会升高或降低进程的优先级（每次增加或降低5），判断标准是根据进程处于sleep状态的时间。IO Bound进程大部分时间在sleep状态，所以内核会调高它的优先级，CPU
Bound进程会被内核惩罚降低优先级。因此，如果一个系统上即运行IO Bound进程，又运行CPU Bound进程，我们会发现，IO Bound进程的性能不会下降，而CPU Bound进程性能会不断下降。

我们运行一个CPU Bound的程序：cpu-hog。用ps命令可以看出它的优先级在不断下降。

term1# ./cpu-hog
term2# while :; do ps -eo pid,ni,pri,pcpu,comm | egrep
'hog|PRI'; sleep 1; done
PID NI PRI %CPU COMMAND
22855 0 20 84.5 cpu-hog
PID NI PRI %CPU COMMAND
22855 0 18 89.6 cpu-hog
PID NI PRI %CPU COMMAND
22855 0 15 92.2 cpu-hog
PID NI PRI %CPU COMMAND
22855 0 15 93.8 cpu-hog

我们运行find命令，是一个IO Bound的程序，可以观察到它的优先级不断提高。

term1# find /
term2# while :; do ps -eo pid,ni,pri,pcpu,comm | egrep
'find|PRI'; sleep 1; done
PID NI PRI %CPU COMMAND
23101 0 20 0.0 find
PID NI PRI %CPU COMMAND
23101 0 21 4.0 find
PID NI PRI %CPU COMMAND
23101 0 23 3.5 find
PID NI PRI %CPU COMMAND
23101 0 23 4.3 find
PID NI PRI %CPU COMMAND
23101 0 23 4.2 find
PID NI PRI %CPU COMMAND
23101 0 23 4.4 find

正如我们之前讨论的任何系统的性能比较都是基于基线的，并且监控CPU的性能就是以上3点，运行队列、CPU使用率和上下文切换。以下是一些对于CPU很普遍的性能要求：

1. 对于每一个CPU来说运行队列不要超过3，例如，如果是双核CPU就不要超过6；

2. 如果CPU在满负荷运行，应该符合下列分布，

a) User Time：65%～70%

b) System Time：30%～35%

c) Idle：0%～5%

3. 对于上下文切换要结合CPU使用率来看，如果CPU使用满足上述分布，大量的上下文切换也是可以接受的。

常用的监视工具有，vmstat, top,dstat和mpstat.

# 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

r表示运行队列的大小，

b表示由于IO等待而block的线程数量，

in表示中断的数量，

cs表示上下文切换的数量，

us表示用户CPU时间，

sys表示系统CPU时间，

wa表示由于IO等待而是CPU处于idle状态的时间，

id表示CPU处于idle状态的总时间。

总结的说，Linux 测试CPU性能监控包含以下方面：

检查系统的运行队列，确保每一个CPU的运行队列不大于3.

确保CPU使用分布满足70/30原则（用户70%，系统30%）。

如果系统时间过长，可能是因为频繁的调度和改变优先级。

CPU Bound进程总是会被惩罚（降低优先级）而IO Bound进程总会被奖励（提高优先级）。