摘要
效能工具：系統cpu
本章概述了系統級的linux效能工具。這些工具是你追蹤效能問題時的第一道防線。它們能展示整個系統的效能情況和哪些部分表現不好。本章將討論這些工具可以測量的統計資訊，以及如何使用各種工具收集這些統計結果。閱讀本章後，你將能夠：
理解系統級效能的基本指標，包括cpu的使用情況。
明白哪些工具可以檢索這些系統級效能指標。
2.1 cpu效能統計資訊
每一種系統級linux效能工具都提供了不同的方式來提取相似的統計結果。雖然沒有工具能顯示全部的資訊，但是有些工具顯示的是相同的統計資訊。為了不多次（每種工具一次）解釋統計資訊的含義，我們在描述所有工具之前對這些資訊進行一次性說明。
2.1.1 執行佇列統計
在linux中，乙個程序要麼是可執行的，要麼是阻塞的（正在等待乙個事件的完成）。阻塞程序可能在等待的是從i/o裝置來的資料，或者是系統呼叫的結果。如果程序是可執行的，那就意味著它要和其他也是可執行的程序競爭cpu時間。乙個可執行的程序不一定會使用cpu，但是當linux排程器決定下乙個要執行的程序時，它會從可執行程序佇列中挑選。如果程序是可執行的，同時又在等待使用處理器，這些程序就構成了執行佇列。執行佇列越長，處於等待狀態的程序就越多。
效能工具通常會給出可執行的程序個數和等待i/o的阻塞程序個數。另一種常見的系統統計是平均負載。系統的負載是指正在執行和可執行的程序總數。比如，如果正在執行的程序為兩個，而可執行的程序為三個，那麼系統負載就是5。平均負載是給定時間內的負載量。一般情況下，取平均負載的時間為1分鐘、5分鐘和15分鐘。這能讓你觀察到負載是如何隨時間變化的。
2.1.2 上下文切換
大部分現代處理器一次只能執行乙個程序或執行緒。雖然有些處理器（比如超執行緒處理器）實際上可以同時執行多個程序，但是linux會把它們看作多個單執行緒處理器。如果要製造出給定單處理器同時執行多個任務的假象，linux核心就要不斷地在不同的程序間切換。這種不同程序間的切換稱為上下文切換，因為當其發生時，cpu要儲存舊程序的所有上下文資訊，並取出新程序的所有上下文資訊。上下文中包含了linux跟蹤新程序的大量資訊，其中包括：程序正在執行的指令，分配給程序的記憶體，程序開啟的檔案等。這些上下文切換涉及大量資訊的移動，因此，上下文切換的開銷可以是相當大的。儘量減少上下文切換的次數是個好主意。
要避免上下文切換，重要的一點是了解它們是如何發生的。首先，上下文切換可以是核心排程的結果。為了保證公平地給每個程序分配處理器時間，核心周期性地中斷正在執行的程序，在適當的情況下，核心排程器會決定開始另乙個程序，而不是讓當前程序繼續執行。每次這種週期性中斷或定時發生時，你的系統都可能進行上下文切換。每秒定時中斷的次數與架構和核心版本有關。乙個檢查中斷頻率的簡單方法是用/proc/interrupts檔案，它可以確定已知時長內發生的中斷次數。如清單2.1所示。
清單2.1
在清單2.1中，我們要求核心給出定時器啟動的次數，等待10秒後，再次請求。這就是說，在這台機器上定時器啟動頻率為（24 070 093-24 060 043）中斷/（10秒）或者約1000次中斷/秒。如果你的上下文切換明顯多於定時器中斷，那麼這些切換極有可能是由i/o請求或其他長時間執行的系統呼叫（如休眠）造成的。當應用請求的操作不能立即完成時，核心啟動該操作，儲存請求程序，並嘗試切換到另乙個已就緒程序。這能讓處理器盡量保持忙狀態。
2.1.3 中斷
此外，處理器還周期性地從硬體裝置接收中斷。當裝置有事件需要核心處理時，它通常就會觸發這些中斷。比如，如果磁碟控制器剛剛完成從驅動器取資料塊的操作，並準備好提供給核心，那麼磁碟控制器就會觸發乙個中斷。對核心收到的每個中斷，如果已經有相應的已註冊的中斷處理程式，就執行該程式，否則將忽略這個中斷。這些中斷處理程式在系統中具有很高的執行優先順序，並且通常執行速度也很快。有時，中斷處理程式有工作要做，但是又不需要高優先順序，因此它可以啟動「下半部」（bottom half），也就是所謂的軟中斷處理程式。如果有很多中斷，核心會花大量的時間服務這些中斷。檢視/proc/interrupts檔案可以顯示出哪些cpu上觸發了哪些中斷。
2.1.4 cpu使用率
cpu使用率是個簡單的概念。在任何給定的時間，cpu可以執行以下七件事情中的乙個：
（1）cpu可以是空閒的，這意味著處理器實際上沒有做任何工作，並且等待有任務可以執行。
（2）cpu可以執行使用者**，即指定的「使用者」時間。
（3）cpu可以執行linux核心中的應用程式**，這就是「系統」時間。
（4）cpu可以執行「比較友好」的或者優先順序被設定為低於一般程序的使用者**。
（5）cpu可以處於iowait狀態，即系統正在等待i/o（如磁碟或網路）完成。
（6）cpu可以處於irq狀態，即它正在用高優先順序**處理硬體中斷。
（7）cpu可以處於softirq模式，即系統正在執行同樣由中斷觸發的核心**，只不過其執行於較低優先順序（下半部**）。
此情景出現的條件為：發生裝置中斷時，而核心在將其移交給使用者空間之前必須對其進行一些處理（比如，處理網路包）。
大多數效能工具將這些數值表示為佔cpu總時間的百分比。這些時間的範圍從0%到100%，但全部三項加起來等於100%。乙個具有高「系統」百分比的系統表明其大部分時間都消耗在了核心上。像oprofile一樣的工具可以幫助確定時間都消耗在了**。具有高「使用者」時間的系統則將其大部分時間都用來執行應用程式。下一章展示在上述情況下，如何用效能工具追蹤問題。如果系統在應該工作的時候花費了大量的時間處於iowait狀態，那它很可能在等待來自裝置的i/o。導致速度變慢的原因可能是磁碟、網絡卡或其他裝置。
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