這篇文章主要介紹了CPU利用率如何計(jì)算，具有一定借鑒價(jià)值，感興趣的朋友可以參考下，希望大家閱讀完這篇文章之后大有收獲，下面讓小編帶著大家一起了解一下。

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我們平時(shí)使用的CPU利用率方法是極具誤導(dǎo)性的，并且一年更甚一年。那么什么是CPU利用率？是你的CPU到底有多忙，是像“% CPU”這樣到處在用的指標(biāo)所顯示的那樣嗎？

在top命令里，你看到90%的CPU利用率是這樣：

然而它真正想表達(dá)的是這個(gè)意思：

Stall(這里譯作“怠速”)是說(shuō)這個(gè)處理器沒(méi)有在跑指令，比如在等待內(nèi)存I/O的時(shí)候。我上圖所畫的比例（“忙”與“怠速”之間）是我在真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境中遇到的，并且你的CPU也很可能是處于“怠速”狀態(tài)。

這些對(duì)你有什么意義呢？理解CPU怠速多少，會(huì)直接影響到你在減少代碼或者減少內(nèi)存I/O的調(diào)優(yōu)工作。

那么真正的CPU利用率怎么算呢？

平時(shí)的CPU利用都是非空閑時(shí)間，即CPU不運(yùn)行idle線程（比如Windows里的空閑進(jìn)程）的時(shí)間。你的操作系統(tǒng)那會(huì)平時(shí)會(huì)在上下文切換的時(shí)候跟蹤它，但是假如一個(gè)非idle線程開(kāi)始運(yùn)行100毫秒后停止，那內(nèi)核會(huì)認(rèn)為后面這段時(shí)間CPU也在這個(gè)非idle線程上。

在老舊的分時(shí)系統(tǒng)里，這么算沒(méi)毛病。阿波羅登月艙的導(dǎo)航系統(tǒng)計(jì)算機(jī)將這里的idle線程叫做“DUMMY JOB”，工程師用利用它來(lái)測(cè)算計(jì)算機(jī)的利用率，可以參考之前我寫過(guò)的這樣一篇文章（鏈接地址：http://www.brendangregg.com/usemethod.html#Apollo）。

那么它有什么毛病呢？

現(xiàn)在的CPU比內(nèi)存已經(jīng)快了很多倍，但等待內(nèi)存的時(shí)間仍然被算進(jìn)CPU時(shí)間中。當(dāng)你在top命令中看到較高的“%CPU”的時(shí)候，你可能認(rèn)為它到達(dá)了一個(gè)性能瓶頸，就是散熱片和風(fēng)扇下面的那個(gè)CPU，但實(shí)際上，這是那一根根內(nèi)存條的鍋。

如何分辨CPU到底在忙啥？

使用性能監(jiān)測(cè)計(jì)數(shù)器（PMC）——一種能夠用perf或者其他工具命令查看的硬件計(jì)數(shù)器。比如，觀測(cè)整個(gè)系統(tǒng)10秒鐘：

這里的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)就是instructions per cylce（IPC，每CPU周期執(zhí)行指令數(shù)），它能夠顯示每CPU周期內(nèi)每個(gè)CPU運(yùn)行了多少指令，越高說(shuō)明效率越高。上述示例中，這一值為0.78，但這并不說(shuō)明CPU利用率為78%，因?yàn)楝F(xiàn)代CPU的IPC最大值為4.0（新的已經(jīng)到了5.0），也就是4-wide。CPU在執(zhí)行指令時(shí)，單個(gè)指令會(huì)被分割為多個(gè)步驟，比如取指令、解碼、執(zhí)行、內(nèi)存訪問(wèn)、寫寄存器等，這些命令如果在單個(gè)CPU周期內(nèi)最多執(zhí)行一個(gè)，那么需要5個(gè)CPU周期來(lái)完成一條命令，IPC就是0.2，如果采用指令流水線，即3~5-wide的CPU，那么完美狀態(tài)下1個(gè)CPU周期就可以完成一條命令，IPC就是1。（譯者注：作者文中使用了CPU clock cycle表示通常所說(shuō)的CPU周期，為了避免與晶振時(shí)鐘周期混肴我并沒(méi)有將其譯為CPU時(shí)鐘周期。）

當(dāng)然，還有數(shù)百個(gè)其他你可以用來(lái)測(cè)量的性能計(jì)數(shù)器。

如果在虛擬化環(huán)境中，guest一般不能直接訪問(wèn)PMC，這取決于hypervisor是否支持。我最近寫的一篇The PMCsof EC2: Measuring（鏈接地址：http://www.brendangregg.com/blog/2017-05-04/the-pmcs-of-ec2.html） IPC展示了AWS EC2中基于Xen的虛擬機(jī)如何使用PMC。

最佳實(shí)踐

如果你的IPC小于1.0，你可能遇到了內(nèi)存操作密集型，軟件調(diào)優(yōu)策略可以有減少內(nèi)存I/O，增強(qiáng)內(nèi)存本地訪問(wèn)性，尤其是在NUMA系統(tǒng)上。硬件調(diào)優(yōu)策略則是使用CPU cache較大以及更快的內(nèi)存、總線和內(nèi)聯(lián)技術(shù)。三門峽婦科醫(yī)院http://www.smxrlyy.com/

如果你的IPC > 1.0，你可能是指令密集型?？梢栽噲D減少指令的執(zhí)行數(shù)量，比如消除不必要的工作和緩存操作等，可以用一下CPU火焰圖（鏈接地址：http://www.brendangregg.com/FlameGraphs/cpuflamegraphs.html）。硬件調(diào)優(yōu)方面，可以嘗試高主頻、多核、超線程的CPU。

性能檢測(cè)產(chǎn)品應(yīng)該告訴你什么呢？

性能檢測(cè)工具都應(yīng)該顯示出每個(gè)進(jìn)程的IPC，或者是按照指令周期與怠速周期，比如%INS和%STL，下圖為L(zhǎng)inux中的tiptop命令：

CPU利用率具有誤導(dǎo)性的其他理由

1. 使得這個(gè)%CPU指標(biāo)錯(cuò)誤的理由除了CPU在內(nèi)存的怠速周期外，還有如下因素：

2. 溫度也能使CPU進(jìn)入怠速；

3. Turboboost（睿頻）引起時(shí)鐘頻率變化；

4. SpeedStep引起時(shí)鐘頻率變化；

5. 一分鐘內(nèi)的80%的平均利用率并不能表示100%的突發(fā)利用率（類似網(wǎng)絡(luò)QoS）；

6. 自旋鎖：CPU在很嚴(yán)肅地瞎忙；

Update: CPU利用率真的錯(cuò)了嗎？

自這篇文章發(fā)布以后，留言討論非常激烈，已經(jīng)有了上百條了。首先謝謝你們對(duì)這話題感興趣并花時(shí)間閱讀，但我在這里還是要統(tǒng)一回復(fù)：我對(duì)disk的iowait并不關(guān)心（譯者注：PC CPU不能直接操作外部存儲(chǔ)），并且文中也已經(jīng)給出了內(nèi)存操作密集型的對(duì)應(yīng)調(diào)優(yōu)措施。

然而，CPU利用率到底是從本質(zhì)上錯(cuò)了還是僅僅是有誤導(dǎo)性了？我認(rèn)為需要人將高CPU利用率視為處理單元的瓶頸的事兒，是錯(cuò)的。那么這個(gè)指標(biāo)的計(jì)算方法從技術(shù)上講正確嗎？如果CPU在怠速期間不能被其他任何進(jìn)程使用，那么這不就是所謂的“使用等待”（聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)矛盾）。某些情況下，%CPU作為一個(gè)操作系統(tǒng)層面的指標(biāo)是技術(shù)正確但是容易誤導(dǎo)人的。在超線程中，怠速周期可以被其他線程使用，所以%CPU的算法也會(huì)將其算在內(nèi)，而實(shí)際上并沒(méi)有利用。那樣是不對(duì)的，這篇文章中我強(qiáng)調(diào)的是解釋問(wèn)題并提出對(duì)策，并且，這個(gè)指標(biāo)也有技術(shù)上的問(wèn)題。

結(jié)論

CPU利用率已成為一個(gè)極具誤導(dǎo)性的指標(biāo)：它算進(jìn)了等待主存的周期，而這類周期在現(xiàn)代的CPU負(fù)載中占據(jù)不少。如果使用額外指標(biāo)，你就能搞清楚%CPU到底意味著什么，包括每CPU周期執(zhí)行指令數(shù)（IPC）。IPC < 1.0可能意味著你的應(yīng)用是內(nèi)存密集型，而IPC > 1.0則可能是指令密集型。我在之前的一篇文章，顯示%CPU的性能監(jiān)控產(chǎn)品也應(yīng)該顯示PMC測(cè)量指標(biāo)，并給予充分解釋，這樣才不會(huì)誤導(dǎo)用戶。比如，它們可以一起顯示%CPU和IPC，或者指令周期與怠速周期。有了這些指標(biāo)，開(kāi)發(fā)或管理人員才能在應(yīng)用和操作系統(tǒng)中選擇正確的調(diào)優(yōu)方式。

感謝你能夠認(rèn)真閱讀完這篇文章，希望小編分享的“CPU利用率如何計(jì)算”這篇文章對(duì)大家有幫助，同時(shí)也希望大家多多支持創(chuàng)新互聯(lián)，關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)行業(yè)資訊頻道，更多相關(guān)知識(shí)等著你來(lái)學(xué)習(xí)!