cpu | Get busy living

平均负载

查看 cpu 个数, 4 核

1 2	root@imwl01:~# grep 'model name' /proc/cpuinfo \|wc -l 4

可以简单理解为平均活跃进程数（可运行状态和不可中断状态），一般认为超过 70% 就可以排查 cpu 使用情况。4 核即为 2.8

可运行状态：正在使用 CPU 或者正在等待 CPU 的进程，也就是常用 ps 命令看到的，处于 R 状态（Running 或 Runnable）的进程。

不可中断状态：正处于内核态关键流程中的进程，并且这些流程是不可打断的，比如最常见的是等待硬件设备的 I/O 响应，也就是 ps 命令中看到的 D 状态（Uninterruptible Sleep，也称为 Disk Sleep）的进程

1 2	root@imwl01:~# uptime 15:45:41 up 44 min, 2 user, load average: 0.12, 0.12, 0.17

15:45:41 ：当前时间
up 44 min ：开机时间
2 user ：登陆用户数

当前 1分钟 5 分钟 15分钟很平稳

平均负载升高可能的原因：

cpu 密集型导致
I/O 更加繁忙

定法方法

mpstat : 查看 cpu 使用情况 mpstat -P ALL 5 1
pidstat : 查看进程使用情况 pidstat -u 5 1

上下文切换

CPU 寄存器 ： CPU 内置的容量小，速度极快的内存

程序寄存器 ：用来存储 CPU 正在执行的指令位置，或者即将执行的下一条指令位置

CPU 上下文切换，就是先把前一个任务的 CPU 上下文（也就是 CPU 寄存器和程序计数器）保存起来，然后加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器，最后再跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。

而这些保存下来的上下文，会存储在系统内核中，并在任务重新调度执行时再次加载进来。这样就能保证任务原来的状态不受影响，让任务看起来还是连续运行。

进程上下文切换
线程上下文切换
中断上下文切换

进程上下文切换

进程的运行空间，按特权等级分为：内核空间和用户空间

内核空间（ Ring 0）：可以访问所有资源

用户空间（ Ring 3）：只能访问受限资源，不能直接访问内存等硬件设备，需要通过系统调用陷入到内核中，才能访问这些特权资源

进程在两个空间运行时：进程的用户态，内核态

进程上下文切换，是指从一个进程切换到另一个进程

系统调用一直在同一个进程内运行。发生两次 CPU 上下文切换，用户态 → 内核态 → 用户态。通常称为特权模式切换

系统调用过程通常称为特权模式切换，而不是上下文切换
进程在用户空间运行时，被称为进程的用户态，而陷入内核空间的时候，被称为进程的内核态。

从用户态到内核态的转变，需要通过系统调用来完成。

CPU 寄存器里原来用户态的指令位置，需要先保存起来。接着，为了执行内核态代码，CPU 寄存器需要更新为内核态指令的新位置。最后才是跳转到内核态运行内核任务。

而系统调用结束后，CPU 寄存器需要恢复原来保存的用户态，然后再切换到用户空间，继续运行进程。所以，一次系统调用的过程，其实是发生了两次 CPU 上下文切换

而系统调用过程中一直是同一个进程在运行。系统调用过程通常称为特权模式切换，而不是上下文切换

进程1 → 保存进程1 上下文，加载进程2 上下文 → 进程2

线程上下文切换

线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位

当进程只有一个线程时，可以认为进程就等于线程。

当进程拥有多个线程时，这些线程会共享相同的虚拟内存和全局变量等资源。这些资源在上下文切换时是不需要修改的。

另外，线程也有自己的私有数据，比如栈和寄存器等，这些在上下文切换时也是需要保存的。

因为虚拟内存是共享的，所以在切换时，虚拟内存这些资源就保持不动，只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据

中断上下文切换

中断上下文切换并不涉及到进程的用户态。所以，即便中断过程打断了一个正处在用户态的进程，也不需要保存和恢复这个进程的虚拟内存、全局变量等用户态资源。中断上下文，其实只包括内核态中断服务程序执行所必需的状态，包括 CPU 寄存器、内核堆栈、硬件中断参数等

自愿上下文切换和非自愿上下文切换

自愿上下文切换，是指进程无法获取所需资源，导致的上下文切换。比如说， I/O、内存等系统资源不足时，就会发生自愿上下文切换。

非自愿上下文切换，则是指进程由于时间片已到等原因，被系统强制调度，进而发生的上下文切换。比如说，大量进程都在争抢 CPU 时，就容易发生非自愿上下文切换

vmstat : 分析系统内存使用情况以及 cpu 上下文切换和中断的次数

DMA

Direct Memory Access（DMA）的模块，这个模块允许硬件设备直接通过 DMA 写内存，而不需要通过 CPU（占用 CPU 资源）。

备注

mpstat

imwl@imwl:~$ mpstat
Linux 4.4.0-22000-Microsoft (imwl)      02/10/22        _x86_64_        (16 CPU)

15:00:36     CPU    %usr   %nice    %sys %iowait    %irq   %soft  %steal  %guest  %gnice   %idle
15:00:36     all    1.54    0.00    2.12    0.00    0.22    0.00    0.00    0.00    0.00   96.13

() 里为常用缩写

user : 用户态 CPU 时间,包含 guest ( us )
nice : 低优先级（1-19）用户态CPU 时间。（-20 ~ 19），数值越高，优先级越低 ( ni )
system : 内核态 CPU 时间 (sy)
idle : 空闲时间。不包括等待 I/O 的时间 ( id )
iowait : 等待 I/O 的 CPU 时间 ( wa )
irq : 处理硬中断的 CPU 时间 ( hi )
softirq : 处理软中断的 CPU 时间 ( si )
steal : 当系统运行在虚拟机中的时候，被其他虚拟机占用的 CPU 时间（ st ）
guest : 代表通过虚拟化运行其他操作系统的时间，也就是运行虚拟机的 CPU 时间 ( guset )
10.guest_nice : 以低优先级运行虚拟机的时间 ( gnice )

cpu 使用率 = 1 - 空闲时间/总cpu时间

pidstat

imwl@imwl:~$ pidstat
Linux 4.4.0-22000-Microsoft (imwl)      02/10/22        _x86_64_        (16 CPU)

15:00:07      UID       PID    %usr %system  %guest   %wait    %CPU   CPU  Command
15:00:07        0         1    0.00    0.11    0.00    0.00    0.11     0  init
15:00:07     1000         9    0.00    0.09    0.00    0.00    0.09     0  bash
15:00:07     1000       378    0.01    0.00    0.00    0.00    0.01     0  pidstat

UID : 用户ID
PID : 进程识别号
PPID : 当前进程的父进程 ID

vmstat

[root@test-1 ~]# vmstat
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
 r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st
 3  0      0 185534576 745272 22088512    0    0     3    22    1    1  4  2 93  0  0