極客時間 - 《Linux 性能優化實戰》原文鏈接：https://time.geekbang.org/column/intro/100020901
- 02 | 基礎篇：到底應該怎么理解“平均負載”？
- 在Linux系統中，當一個進程啟動時，操作系統會為該進程申請哪些資源？（9點）
- 如何理解進程的 S 狀態？
- 如何理解進程的 D 狀態？
- 如何理解進程的 R 狀態？
- 如何理解進程的 Z 狀態？
- 如何理解父進程執行結束，操作系統也會釋放子僵尸進程描述符？
- 如何理解進程的 I 狀態？
- 如何理解進程的 T 狀態？
- 如何理解平均負載？
- 如何理解 uptime 的運行結果？如何判斷結果是否正常或異常？
- 如何理解CPU使用率？
- 如何理解CPU使用率和平均負載的關系？
- 如何理解 mpstat 工具？
- 如何理解 pidstat 工具？
- 03 | 基礎篇：經常說的 CPU 上下文切換是什么意思？（上）
- CPU中有哪些常見的寄存器，功能是什么？（9種）
- 進程的上下文切換都切換了哪些信息？（7條）
- CPU在什么情況下切換到其他進程運行？（6點）
- 同一進程內線程的上下文切換，哪些信息會切換？哪些信息不會切換？
- 會切換的信息（5條）
- 不會切換的信息（4條）
- 中斷的上下文切換，哪些信息會切換？哪些信息不會切換？
- 會切換的信息（4條）
- 不會切換的信息（3條）
- 04 | 基礎篇：經常說的 CPU 上下文切換是什么意思？（下）
- 如何理解 vmstat 工具？
- 如何理解 pidstat 工具查看線程上下文切換？
- 如何理解 cswch 和 nvcswch ？
- 如何查看中斷升高發生的類型？
- 什么情況的每秒上下文切換才算正常？
- 05 | 基礎篇：某個應用的CPU使用率居然達到100%，我該怎么辦？
- 如何理解 top 命令的運行結果？
- 如何理解 ps 命令的運行結果？
- 如何理解 平均CPU使用率？
- 如何理解CPU節拍率？
- 分析一下 man proc？
- 如何使用 perf 工具定位到 CPU占用率高的具體源碼行數？
02 | 基礎篇：到底應該怎么理解“平均負載”？
在Linux系統中，當一個進程啟動時，操作系統會為該進程申請哪些資源？（9點）
- PID：系統中唯一標識，用于區分不同的進程，進行進程管理和調度。
- 虛擬內存空間：包括代碼段、數據段、堆、棧等，存儲進程代碼、數據、運行時堆棧等信息。
- 文件描述符：進程可以打開文件、管道、套接字等，操作系統會為這些打開的資源分配文件描述符，用于標記和訪問這些資源。
- CPU時間片：確保進程能夠獲得必要的CPU資源來執行其任務。
- 進程控制塊 PCB：操作系統會為每個進程創建一個進程控制塊，其中包含進程的狀態信息、寄存器值、調度信息等，用于管理和調度進程。
- 環境變量：包含了一些配置信息和運行時參數，影響進程運行和配置。
- 信號處理器：操作系統會為進程設置信號處理器，用于處理各種信號事件（如中斷、終止信號等），確保進程能夠正確響應各種信號事件。
- 用戶和組ID，用于權限管理和訪問控制。
- 網絡資源：socket，支持進程進行網絡通信。
如何理解進程的 S 狀態？
- S（interruptible Sleep）
- 進入條件：需要等待可被信號中斷的事件發生。
- 可處理信號。
- 進程暫停執行，釋放CPU資源。
- 等待的特定事件發生后，從S狀態轉換為就緒狀態，等待CPU調度執行。
- 應用場景：文件IO，網絡通信，進程間通信。
如何理解進程的 D 狀態？
- D（Uninterruptible Sleep）
- 進入條件：需要等待可被信號中斷的事件發生。
- 不可處理信號，直到等待事件發生。（這個時候信號會等事件響應之后處理嗎？）
- 進程暫停執行，釋放CPU資源。
- 等待的特定事件發生后，從S狀態轉換為就緒狀態，等待CPU調度執行。
- 應用場景（進程與硬件設備直接交互）：磁盤讀寫，DMA操作，內核鎖，內核同步操作。
如何理解進程的 R 狀態？
- R（Running）:進程正在被CPU調度，占用CPU。
- R（Runnable）：進程等待被CPU調度，不占用CPU。
如何理解進程的 Z 狀態？
- Z（Zombie）僵尸狀態。
- 子進程執行結束，子進程描述符保留在操作系統進程表中。
- 子進程不能通過發送信號殺死，需要通過父進程調用
wait()或waitpid()來獲取其退出狀態信息后，操作系統釋放進程描述符。 - 父進程執行結束，操作系統也會釋放子僵尸進程描述符。
- 不占用CPU和內存資源，占用進程表中的一個進程描述符。
如何理解父進程執行結束，操作系統也會釋放子僵尸進程描述符？
- 操作系統檢測到父進程結束。
- 將僵尸子進程PPID改為1，即 init 進程的PID。
- init進程會定期調用 wait() 或 waitpid() 系統調用來獲取僵尸子進程的退出狀態，操作系統釋放僵尸子進程資源（包括文件描述符），結束這些僵尸子進程的生命周期。
如何理解進程的 I 狀態？
如何理解進程的 T 狀態？
如何理解平均負載？
單位時間內，系統處于 R狀態（正在使用 CPU 或者正在等待 CPU 的進程） 和 D狀態（不可中斷睡眠狀態的進程） 的平均進程數。
如何理解 uptime 的運行結果？如何判斷結果是否正常或異常？
TUPIAN
$ uptime
02:34:03 up 2 days, 20:14, 1 user, load average: 0.63, 0.83, 0.88
正常情況：
- 平均負載數值 / CPU邏輯核心數 < 70%。
- 分析趨勢：1 分鐘、5 分鐘、15 分鐘的三個值基本相同，或者相差不大。
異常情況：
- 平均負載數值 / CPU邏輯核心數 > 70%。
- 分析趨勢：1 分鐘、5 分鐘、15 分鐘的三個值遞減，說明最近這段時間負載在增加，一旦 1 分鐘的平均負載接近或超過了邏輯 CPU 的個數，就意味著系統正在發生過載問題，需要分析問題并進行優化。
如何理解CPU使用率？
如何理解CPU使用率和平均負載的關系？
| 場景 | CPU使用率 | 平均負載 |
|---|---|---|
| CPU密集型進程 | ↑（CPU實際使用率會升高。） | ↑（正在使用CPU的進程數增加。） |
| IO密集型 | —（IO操作不會占用CPU。） | ↑（等待IO，不可中斷睡眠狀態進程數增加。） |
| 大量等待CPU調度的進程 | ↑（大量進程在進行上下文切換，會消耗CPU，CPU并沒有在真正的執行進程指令。） | ↑（等待CPU調度的進程數增加。） |
如何理解 mpstat 工具？
功能：多核 CPU 性能分析工具，用來實時查看每個 CPU 的性能指標，以及所有 CPU 的平均指標。
執行結果分析：
如何理解 pidstat 工具？
功能：進程性能分析工具，用來實時查看進程的 CPU、內存、I/O 以及上下文切換等性能指標。
執行結果分析：
03 | 基礎篇：經常說的 CPU 上下文切換是什么意思？（上）
CPU中有哪些常見的寄存器，功能是什么？（9種）
- 通用寄存器（General Purpose Registers, GPRs）：存儲數據和地址。
- 程序計數器（Program Counter）：存儲下一條要執行的指令的地址。
- 棧寄存器（Stack Pointer, SP）：指向當前棧的頂部。
- 基址指針（Base Pointer, BP）：指向棧中的某個固定地址（通常是函數的棧起始地址），通過 基址指針 + 偏移 訪問局部變量和參數。
- 指令寄存器（Instruction Register）：存儲當前正在執行的指令。
- 狀態寄存器（Status Register）：存儲CPU執行指令后的狀態信息，如進位標志（CF）、零標志（ZF）、符號標志（SF）、溢出標志（OF）等。
- 浮點寄存器：用于存儲浮點數和SIMD（單指令多數據）指令的數據。
- 控制寄存器：存儲CPU的控制信息，如分頁機制、保護模式、調試等。
- 調試寄存器：用于硬件調試，如設置斷點、監視內存訪問等。
進程的上下文切換都切換了哪些信息？（7條）
- 所有寄存器信息。
- 虛擬內存信息。
- 進程狀態。（就緒，等待，運行等）
- 進程優先級。
- IO狀態信息：IO緩沖區、文件打開狀態等。
- 資源使用情況。（CPU使用時間，內存使用情況等）
- 信號處理相關信息。（待處理的信號列表，信號處理函數地址等）
CPU在什么情況下切換到其他進程運行？（6點）
- 分片的時間片用完。
- 當前進程執行結束。
- 程序主動 sleep。
- 資源不足（例如：內存）。
- 硬件中斷，執行內核中斷服務程序。
- 高優先級進程運行存在時。
同一進程內線程的上下文切換，哪些信息會切換？哪些信息不會切換？
會切換的信息（5條）
- 程序計數器（Program Counter）：保存當前線程下一條要執行的指令的地址。
- 寄存器狀態：包括通用寄存器、浮點寄存器、狀態寄存器等所有CPU寄存器的內容。
- 棧指針和基址指針：保存當前線程棧頂和棧起始位置。
- 線程狀態：運行、就緒、阻塞等狀態。
- 線程本地存儲：保存線程私有數據。
不會切換的信息（4條）
- 進程虛擬地址空間：同一進程內所有線程共享相同的虛擬地址空間（代碼段、數據段、堆等）。
- 全局變量和靜態變量：進程的虛擬地址空間共享。
- 打開的文件描述符和文件系統信息：進程級別資源。
- 信號處理設置。
中斷的上下文切換，哪些信息會切換？哪些信息不會切換？
會切換的信息（4條）
- 通用寄存器。
- 程序計數器（Program Counter）：存儲下一條要執行的指令的地址。
- 棧寄存器（Stack Pointer, SP）：指向當前棧的頂部。
- 狀態寄存器（Status Register）：存儲CPU執行指令后的狀態信息，如進位標志（CF）、零標志（ZF）、符號標志（SF）、溢出標志（OF）等。
不會切換的信息（3條）
- 內存內容：內存中的數據通常不會因為中斷而切換，除非中斷處理程序需要修改這些數據。
- 外部設備狀態：外部設備的狀態（如硬盤、網絡接口等）不會因為中斷而切換，這些狀態由設備自身管理。
- 全局變量和靜態變量：這些變量的值通常不會因為中斷而切換，除非中斷處理程序需要修改這些變量。
04 | 基礎篇：經常說的 CPU 上下文切換是什么意思？（下）
如何理解 vmstat 工具？
功能：
執行結果分析：
如何理解 pidstat 工具查看線程上下文切換？
功能：pidstat -wt 1
執行結果分析：
如何理解 cswch 和 nvcswch ？
cswch（每秒自愿上下文切換（voluntary context switches）的次數）：系統資源不足發生。
cswch變多，進程都在等待資源，有可能發生了 I/O 等其他問題；
nvcswch（每秒非自愿上下文切換（non voluntary context switches）的次數）：時間片用完，系統強制調度。
nvcswch變多，進程都在被強制調度，也就是都在爭搶 CPU，說明 CPU 的確成了瓶頸；
如何查看中斷升高發生的類型？
功能：watch -d cat /proc/interrupts
interrupt變多， CPU 被中斷處理程序占用，需要通過查看 /proc/interrupts 文件來分析具體的中斷類型。
什么情況的每秒上下文切換才算正常？
- 穩定在1萬次以內。
- 有增長，但是次數不是數量級的增長。
05 | 基礎篇：某個應用的CPU使用率居然達到100%，我該怎么辦？
如何理解 top 命令的運行結果？
如何理解 ps 命令的運行結果？
如何理解 平均CPU使用率？
TUPIAN：公式
如何理解CPU節拍率？
CPU節拍率：CPU每秒發生時鐘中斷的次數，如果是100，則CPU每秒發生100次時鐘中斷。
每次時鐘中斷的發生，操作系統都有機會進行上下文切換，實現多個任務共享CPU時間，實現多任務并發處理。
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，降低前期的投入成本！)
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