cpu 结构

cpu 在结构上包括：控制器、运算器、总线、高速缓存。

控制器

控制器根据用户程序，依次从内存读取指令，译码后，根据确定的时序，向相应部件发出微操作控制信号。

• 程序计数器：简称PC，保存从内存提取的下一条指令的地址。
• 指令寄存器：根据程序计数器里的地址取指令，将取到的指令放入指令寄存器，然后更新程序计数器。
• 指令编译器：用于对指令进行译码。
• 主存地址寄存器：保存cpu当前正要访问的内存地址，通过总线跟主存通信。
• 通用寄存器：用于暂时存放数据或者指令。

运算器

接收控制器的指令，进行运算，将运算结果保存到通用寄存器，并写回主存。

• ALU：算数运算单元，是运算器的核心，能完成常见的位运算（与、或、非、左移、右移）和算术运算（加、减、乘、除）。
• 通用寄存器：用来保存参加运算的操作数和运算的结果。
• 状态字寄存器：存放运算状态（条件码、进位、溢出）和运算控制信息。

总线

总线是cpu和外围设备（内存、IO设备）数据交换的通道，分为地址总线和数据总线。

高速缓存

高速缓存旨在解决cpu时钟周期和主存（RAM）访问速度不匹配的问题，cpu将频繁访问的内存数据放入高速缓存，可以提高访问速度。

缓存行

数据在缓存和主存之间，是按固定大小的块传输的，该块称为缓存行（cache line），一个 cache line 占 64 字节。

三级缓存

高速缓存分三级（L1、L2、L3），cpu访问数据顺序为：cpu -> 寄存器 -> L1缓存 -> L2缓存 -> L3缓存 -> 主存。

• L1缓存：速度最快(1ns)，容量最小(32K)；对应每个物理线程（可以通过超线程技术，将1个核心模拟成多个物理线程）
• L2缓存：速度其次(3ns)；容量其次(256k)；对应每个cpu核，同一个核下的多个物理线程共享一个L2缓存
• L3缓存：速度最慢(12ns)；容量最大(30M)；对应每个cpu插槽；同一个物理cpu共享一个L3缓存。

缓存一致性

多个物理线程对同一块主存数据更改时，可能会产生数据不一致，而cpu提供了保证各个缓存一致性的机制。

写传播

某个cpu修改了缓存行后，会通过总线store到内存，因为总线是各个cpu共享，所以修改会被其他cpu监控到，并从内存更新各自对应的缓存行，保证了一致性。

MESI 协议

为了提高写传播的效率，cpu 设计了 MESI 协议，每个缓存行都对应四种状态。

• Modify（修改）：表示缓存已经被修改，和主存不一致，等待同步到主存；当监听到其他cpu的读取操作时，写回主存，并设置为 Shared 状态、
• Exclusive（独占）：表示当前修改已经同步到主存；当监听到其他 cpu 的读取操作，将状态改为 Shared。
• Shared（共享）：表示当前状态和主存一致；监听其他 cpu 的写操作时，将状态标记为 Invalid 状态。
• Invalid（失效）：其他cpu修改了缓存行，导致本 cpu 中的缓存行失效。

cpu 管理

物理 cpu

主板上实际插入的 cpu ，查看物理 cpu 个数

cat /proc/cpuinfo| grep "physical id"| sort| uniq| wc -l

cpu 核心

cpu 的组成是由运算器和控制器组成，每个核心都有一组控制器和运算器，查看每个物理 cpu 的核心数

cat /proc/cpuinfo |grep "cores"|uniq

逻辑 cpu

top 命令中显示的 cpu，代表可独立执行的单元，逻辑 cpu 个数 = 物理 CPU 个数 * 每个物理 CPU 的核心数 * 超线程数量

cat /proc/cpuinfo| grep “processor”|wc -l

cpu 平均负载

通过 top 查看 load average，3个值分别代表1分钟，5分钟，15分钟的load情况，重点关注的是后两个。

load average 是一段时间内处于可运行状态和不可中断状态的线程平均数量，该值等于逻辑cpu个数时，说明各个核心刚好打满，也没有排队现象，超过逻辑cpu个数时说明负载变高，有进程排队等待。

cpu 利用率

cpu 利用率代表 cpu 时间的占用多少，top 命令查看时，如果是 4 个逻辑 cpu，则 cpu 利用率最高是 400%。

cpu 利用率和 cpu 负载没有直接关系，cpu 利用率反应的是 cpu 的占用时间，load 反应的是执行 cpu 运算的任务平均数。

• load 高利用率低：使用cpu的线程数很多，但是大部分都在等待IO返回，对应IO密集型服务。
• load 低利用率高：工作线程数很少，但是占用时间很长，对应计算密集型服务，或者出现了死循环。

排查 cpu 热点

找出占用率高的线程

top -H -p 进程id

查看系统调用堆栈，找到对应的线程，分析上下文问题
pstack 进程id

利用strace跟踪具体线程的系统调用
strace -p 线程id

查看系统调用和花费时间，找出最占用cpu的系统调用
strace -T -r -c -p 线程id

调度原理

进程

进程是资源分配的最小单位，资源包括虚拟内存空间(代码段，数据段，堆)、文件描述符、页表、信号等内核资源。

操作系统用 PCB（process control block）来表示进程，linux 中用 task_struct 结构体表示 PCB，内核调度描述的进程实际上是线程，进程id就是主线程的pid，多个 task_struct 共享虚拟内存等资源指针。

struct task_struct {
	long			  state;
	struct mm_struct          *mm;
	pid_t			  pid;
	struct task_struct __rcu  *parent;
	struct list_head	  children;
	struct files_struct	  *files;
};

子进程

父进程通过 fork() 创建子进程，子进程会继承父进程的资源：

• 物理内存：当二者任意一个修改内存时，系统会复制一个新的物理内存分配给修改的进程，叫做写时复制。
• 文件描述符：此时父子进程共享文件的当前偏移，父进程向文件写内容，子进程接着写会往后追加。

僵尸进程

子进程结束时，父进程没有调用 wait() 回收系统资源，并将其从进程表删除，则该子进程就会成为僵尸进程。

僵尸进程太多，会导致进程表中有限的进程号被占用，不能产生新的进程。

使用Top命令查找，当zombie前的数量不为0时，即系统内存在相应数量的僵尸进程。

# 定位僵尸进程
ps -A -ostat,ppid,pid,cmd |grep -e '^[Zz]'

# 杀死僵尸进程，往往通过Kill杀不掉，此时需要杀死它的父进程，僵尸进程会被1号进程接管回收，正常退出。
kill -HUP pid

线程

线程是系统调度执行的最小单位，线程在linux内核对应一个 task_struct 结构，也就是一个PCB，所以线程调度也叫做进程调度。

每一个进程都需要一个主线程才能运行，主线程退出，进程也退出。

cpu 亲和性

线程可以与某个逻辑 cpu 绑定，通过设置 cpu 亲和性（affinity）实现。

Linux 内核 2.6 版本之后，支持开发人员通过编程设置 CPU 的硬亲和性（affinity），可以显式地指定线程在哪些处理器上运行。

• 单个线程绑定在一个核上，可以避免 cpu缓 存因切换导致失效，提高缓存命中率。
• 两个数据相关的线程绑定到一个核上，可以共享 cpu 缓存，提高缓存命中率。

# 查看运行的线程
top -HP pid

进程调度

处理器的调度是以线程为单位的，但是内核中，线程是一个 task_struct 对象，笼统上也叫进程，所以线程调度也叫进程调度。

调度类型

调度类型包括主动调度和被动调度，但是满足以下共同点

• 所有调度的发生都是出于内核态，中断也是出于内核态，不会有调度出现在用户态。
• 所有调度的都在 schedule 函数中发生。

主动调度

进程主动触发以下情况，然后陷入内核态，最终调用 schedule 函数，进行调度

• 当进程发生需要等待 IO 的系统调用，如read、write。
• 进程主动调用 sleep 时。
• 进程等待占用信用量或 mutex 时，注意 spin 锁不会触发调度，可能在空转。

被动调度

发生以下情况时会发生被动调度

• cpu 时钟中断（一般是10ms一次，取决于cpu的主频），此时会通过 cfs 检查进程队列，如果当前占用 cpu 的进程的 vruntime 不是最小时，且超过 sched_min_granularity_ns（默认最小运行时间10ms，防止频繁切换），发生“被动调度”。
• fork 出新进程时，此时会通过 cfs 算法检查进度队列，如果当前占用 cpu 的进程的 vruntime 不是最小时且超过 sched_min_granularity_ns（最小运行时间），发生“被动调度”。

休眠和唤醒

休眠（被阻塞）状态的进程处于不可执行的状态，进程休眠的原因有多种多样，但通常来说都是等待某一事件的发生，例如等待I/O, 等待设备输入等等。

内核对于休眠和唤醒的操作如下：

• 休眠：进程首先把自己标记为休眠状态(TASK_INTERRUPTIBLE)，然后从 cfs 调度中移除，并将进程放入等待队列。
• 唤醒：进程被置为可执行状态(TASK_RUNNING)，进程从等待队列移入 cfs 等待调度。

进程调度算法（CFS）

linux 内核 2.6 之后，普通进程的调度算法采用的是 CFS（Completely Fair Scheduler 完全公平调度算法)。

• CFS 通过计算进程消耗的 cpu 时间（vruntime）来分配调度，vruntime = 实际运行时间 * 1024 / 进程权重。

• linux 采用一颗红黑树，记录下每一个进程的 vruntime，需要调度时，从红黑树中取出一个 vruntime 最小的进程出来运行。

• 进程权重由 nice 值决定，每个进程对应一个 nice 值，nice 值越大，权重越低。

• 休眠进程被唤醒时，会重新初始化 vruntime，在 min_vruntime （初始时间）基础之上作出少量的补偿，所以 IO 密集型进程比计算密集型进程拥有更高的调度权。

上下文切换

进程发生调度时，系统需要保存恢复上下文信息，需要完成的工作有：

• 切换页表全局目录
• 切换内核态堆栈
• 切换cpu上下文，包括程序计数器和通用寄存器
• 刷新TLB（快表）

进程上下文切换会带来额外的开销，也会导致一些缓存失效，降低运行速度。

• TLB失效：TLB被刷新后，cpu需要访问页表来实现虚拟地址到物理地址的转换，性能降低。
• 缓存失效：进程切换导致 cpu 缓存失效，产生cache miss。