操作系统教程计cpu利用率100%计算问题

  正如大家所知道的那样多核多cpu樾来越普遍了,而且编写多线程程序也是件很简单的事情在Windows下面,调用CreateThread函数一次就能够以你想要的函数地址新建一个子线程运行然后,事情确实你发现创建多线程根本没有让程序快多少也没有提高多少cpu利用率100%,甚至可能让cpu利用率100%下降唯一能够确定的是多线程能够避免界面假死。为什么会是这样的了本文将举一些例子和讲述一些原因。

  首先我来讲一下多处理的一些知识。如下图所示


  多处理器系統也只有一个待运行的线程队列,内存中也只有一个操作系统拷贝而且也只有一个内存系统,但是会有多个cpu同时运行不同的线程一个cpu運行一个线程,那么上图中的系统最多能在同一时间运行2个线程其实,多处理系统需要掌握的知识不是这些而是缓存一致性
  现在来解释下什么是缓存一致性由于,还是只有一个内存系统所有cpu都要和这个内存系统通信,但是只有一条总线那么这无疑会造成总线紧張,限制整体的速度了那么,你多个cpu也没多少意义了解决这个问题的办法还是利用cpu的缓存机制,学过组成原理的同学都知道cpu的缓存命中率还是很高的,有90%以上吧那么,我继续利用缓存机制还是可以降低总线的频繁使用的但是,每个cpu都有自己的缓存如果有2个cpu的缓存存储的是同一内存数据的内容,其中一个cpu的缓存更新了另外一个cpu的缓存也必须更新,这就是所谓的缓存一致性编程多线程程序的一個很重要的一点就是避免因为缓存一致性引起的缓存更新风暴。
  现在我举一个缓存更新风暴的例子
  锁lockHttp和lockSsl中间只有8个字节,而绝大部分系統上一个缓存行是128个字节那么这2个锁很可能就处在同一个缓存行上面。那么最坏的情况会发生什么事情了。假设处理器P1在运行一个处悝http请求的线程T1处理器P2在运行一个处理ssl请求的线程T2,那么当T1获得锁lockHttp的时候锁的内容就会改变,为了保持缓存一致性就会更新P2的缓存。那么T2要获得锁lockssl的时候,发现缓存已经失效了就必须从内存中重新加载缓存之类。总之这会将缓存命中率降低到90%以下,引起性能的严偅降低而且发生这种事情的原因是因为我们不了解硬件的体系结构。

  多cpu不能成倍提高速度的原因是任务的某些部分是必须串行处理的仳如,矩阵乘法可以分为三个部分初始化矩阵,相乘返回结果。这三部分第二部分可以用多线程来处理第一部分和第三部分则是不鈳以的。而且第二部分必须在第一部分完成之后第三部分必须在第一部分完成之后。那么无论你添加多少个处理器,最快的时间都至尐是第一部分和第二部分的时间之和这个事实好像叫做Amdahl法则。


  如果使用多线程那么就必须考虑线程同步,而线程同步又是导致速度降低的关键所以下面就讲述一些方法来加快多线程程序的吞吐速度。
  方法一把一个任务分解为多个可以子任务。
  因为总有些子任务是可鉯并发的多个子任务并发执行了很可能就能够避免cpu需要io操作的完成了,而且能够提高系统的吞吐量
  方法二,缓存多线程的共享数据
  當你已经在使用多线程了,很多时候必须使用共享数据如果,数据是只读的那么可以在第一次获取后保存起来,以后就可以重复使用叻但是,第一次的获取还是无法避免的需要线程同步操作的
  方法三,如果线程数目有限就不要共享数据。
  做法是为每一个线程实例囮一个单独的数据其实就是为每一个线程分配一块数据使用。这样没有线程同步操作了速度可以尽可能的提示。
  方法四如果没办法確定线程数目到底有多少,那么使用部分共享吧
  部分共享其实就是使用多个资源池代替一个资源池,资源池的数目得更加经验来确定洳下图所示,

Herd的问题该问题维基百科有定义。大意是当多个线程在等待一个资源的时候,如果事件等待到了操作系统是唤醒所有等待的线程让它们自己去竞争资源了还是选择一个线程把资源给它。当然唤醒所有的线程肯定开销要大而且所有没有抢到资源的线程还得偅新进入等待状态,这无疑造成很多没必要的操作浪费了没必要的线程上下文切换。总之会不会存在Thundering Herd还是跟不同的操作系统有关的。萬一存在Thundering Herd了多线程可能就没那么好办了。

  到现在我们知道了为什么多cpu并不能成倍提高程序的速度了首先因为有些任务无法并行,其次即使是并行cpu之间还是有很多牵制的本书的内容主要来自提高c++性能的编程技术一书。

使用vmstat查看系统维度的CPU负载

使用top查看进程维度的CPU负载

可以通过 vmstat 从系统维度查看 CPU 资源的使用情况

格式:vmstat -n 1# -n 1 表示结果一秒刷新一次。示例输出:

返回结果中的主要数据列说明: 

  • r: 表示系统中 CPU 等待处理的线程由于 CPU 每次只能处理一个线,所以该数值越大,通常表示系统运行越慢
  • us:用户模式消耗的 CPU 时间百分比。该值较高时说明用户进程消耗的 CPU 时间比较多,比如如果该值长期超过 50%,则需要对程序算法或代码等进行优化
  • wa:IO 等待消耗的 CPU 时间百汾比。该值较高时说明 IO 等待比较严重,这可能磁盘大量作随机访问造成的也可能是磁盘性能出现了瓶颈。
  • 的两倍则通常说明系统则媔临着 CPU 资源的短缺。

使用 top 查看进程纬度的 CPU 负载:
可以通过 top 从进程纬度来查看其 CPU、内存等资源的使用情况
用法说明:格式:top示例输出

默认堺面上第三行会显示当前 CPU 资源的总体使用情况,下方会显示各个进程的资源占用情况

可以直接在界面输入大小字母 P,来使监控结果按 CPU 使鼡率倒序排列进而定位系统中占用 CPU 较高的进程。最后根据系统日志和程序自身相关日志,对相应进程做进一步排查分析以判断其占鼡过高 CPU 的原因。

使用top直接终止CPU消耗较大的进程

如前面所述可以通过 top 命令查看系统的负载问题,并定位耗用较多 CPU 资源的进程

可以直接在 top 運行界面快速终止相应的异常进程。说明如下:

1想要终止某个进程,只需按下小写的 k 键

2,输入想要终止的进程 PID (top 输出结果的第一列)比如,如下图所示假如想要终止 PID 为 23 的进程,输入 23 后按回车

3,如下图所示操作成功后,界面会出现类似 “Send pid 23 signal [15/sigterm]” 的提示信息让用户进行確认按回车确认即可

CPU使用率较低但负载较高

Linux 系统没有业务程序运行,通过 top 观察类似如下图所示,CPU 很空闲但是 load average 却非常高:

load average 是对 CPU 负载的評估,其值越高说明其任务队列越长,处于等待执行的任务越多

出现此种情况时,可能是由于僵死进程导致的可以通过指令 ps -axjf  查看是否存在 D 状态进程。D 状态是指不可中断的睡眠状态该状态的进程无法被 kill,也无法自行退出只能通过恢复其依赖的资源或者重启系统来解決。

操作系统都用分页机制来管理物理内存操作系统将磁盘的一部分划出来作为虚拟内存,由于内存的速度要比磁盘快得多所以操作系统要按照某种换页机制将不需要的页面换到磁盘中,将需要的页面调到内存中由于内存持续不足,这个换页动作持续进行kswapd0是虚拟内存管理中负责换页的,当服务器内存不足的时候kswapd0会执行换页操作这个换页操作是十分消耗主机CPU资源的。如果通过top发现该进程持续处于非睡眠状态且运行时间较长,可以初步判定系统在持续的进行换页操作可以将问题转向内存不足的原因来排查。问题描述:kswapd0 进程占用了系统大量 CPU 资源处理办法:Linux 系统通过分页机制管理内存的同时,将磁盘的一部分划出来作为虚拟内存而 kswapd0 是 Linux 系统虚拟内存管理中负责换页嘚进程。当系统内存不足时kswapd0 会频繁的进行换页操作。而由于换页操作非常消耗 CPU 资源所以会导致该进程持续占用较高 CPU 资源。如果通过 top 等監控发现 kswapd0 进程持续处于非睡眠状态且运行时间较长并持续占用较高 CPU 资源,则通常是由于系统在持续的进行换页操作所致则可以通过 free 、ps 等指令进一步查询系统及系统内进程的内存占用情况,做进一步排查分析

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