简析 Linux 的 CPU 时间

时间:2022-10-11 17:07:39

下面这个是 top 命令的界面,相信大家应该都不陌生。

top - 19:01:38 up 91 days, 23:06,  1 user,  load average: 0.00, 0.01, 0.05
Tasks: 151 total,   1 running, 149 sleeping,   1 stopped,   0 zombie
%Cpu(s):  0.0 us,  0.1 sy,  0.0 ni, 99.8 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
KiB Mem :  8010420 total,  5803596 free,   341300 used,  1865524 buff/cache
KiB Swap:        0 total,        0 free,        0 used.  6954384 avail Mem

  PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU %MEM     TIME+ COMMAND
13436 root      20   0 1382776  28040   5728 S   0.3  0.4 251:21.06 n9e-collector
    1 root      20   0   43184   3384   2212 S   0.0  0.0   5:15.64 systemd
    2 root      20   0       0      0      0 S   0.0  0.0   0:00.28 kthreadd
    3 root      20   0       0      0      0 S   0.0  0.0   0:00.58 ksoftirqd/0
    5 root       0 -20       0      0      0 S   0.0  0.0   0:00.00 kworker/0:0H
    7 root      rt   0       0      0      0 S   0.0  0.0   0:35.48 migration/0

%Cpu(s): 这一行表示的是 CPU 不同时间的占比,其中大家比较熟悉的应该是 system timeuser time

  • 正常情况下 user time 占比应该最高,这是进程运行应用代码的的时间占比(CPU 密集)
  • system time 占用率高,则意味着存在频繁的系统调用(IO 密集)或者一些潜在的性能问题

不熟悉的朋友可以参考下面这张图(来源于极客时间的课程):

简析 Linux 的 CPU 时间

接下来我们将探究隐藏在这些时间背后的操作原理。


内核态与用户态

操作系统的核心功能就是管理硬件资源,因此不可避免会使用到一些直接操作硬件的CPU指令,这类指令我们称之为特权指令。特权指令如果使用不当,将会导致整个系统的崩溃,因此操作系统提供了一组特殊的资源访问代码 —— 内核kernel 来负责执行这些指令。

操作系统将虚拟地址空间划分为两部分:

  • 内核空间kernel memotry:存放内核代码和数据(进程间共享)
  • 用户空间user memotry:存放用户程序的代码和数据(相互隔离)

简析 Linux 的 CPU 时间

通过区分内核空间和用户空间的设计,隔离了操作系统代码与应用程序代码。即便是单个应用程序出现错误也不会影响到操作系统的稳定性,这样其它的程序还可以正常的运行。

应用程序通过内核提供的接口,访问 CPU、内存、I/O 等硬件资源,我们将该过程称为系统调用system call。系统调用是操作系统的最小功能单位。

每个进程处于活动状态时,可能处于以下两种状态之一:

  • 执行用户空间的代码时,处于用户态
  • 执行内核空间的代码时(系统调用),处于内核态

每次执行系统调用时,都需要经历以下变化:

  • CPU 保存用户态指令,切换为内核态
  • 在内核态下访问系统资源
  • CPU 恢复用户态指令,切换回用户态

而之前的 user timesystem time 分别就是对应 CPU 在用户态与内核态的运行时间。


上下文切换

当发生以下状况时,线程会被挂起,并由系统调度其他线程运行:

  • 等待系统资源分配
  • 调用sleep主动挂起
  • 被优先级更高的线程抢占
  • 发生硬件中断,跳转执行内核的中断服务程序

同个进程下的线程共享进程的用户态空间,因此当同个进程的线程发生切换时,都需要经历以下变化:

  • CPU 保存线程 A 用户态指令,切换为内核态
  • 保存线程 A 私有资源(栈、寄存器...)/li>
  • 加载线程 B 私有资源(栈、寄存器...)
  • CPU 恢复线程 B 用户态指令,切换回用户态

不同线程的用户态空间资源是相互隔离的,当不同进程的线程发生切换时,都需要经历以下变化:

  • CPU 保存线程 A 用户态指令,切换为内核态
  • 保存线程 A 私有资源(栈、寄存器...)
  • 保存线程 A 用户态资源(虚拟内存、全局变量...)
  • 加载线程 B 用户态资源(虚拟内存、全局变量...)
  • 加载线程 B 私有资源(栈、寄存器...)
  • CPU 恢复线程 B 用户态指令,切换回用户态

每次保存和恢复上下文的过程,都是在系统态进行的,并且需要几十纳秒到数微秒的 CPU 时间。当切换次数较多时会耗费大量的 system time,进而大大缩短了真正运行进程的 user time

当用户线程过多时,会引起大量的上下文切换,导致不必要的性能开销。


线程调度

Linux 中的线程是从父进程 fork 出的轻量进程,它们共享父进程的内存空间。

Linux 的调度策略是抢占式的,每个线程都有优先级prirority的概念,并按照优先级高低分为两种:

  • 实时进程(优先级 0~99)
  • 普通进程(优先级 100~139)

每个 CPU 都有自己的运行队列 runqueue,需要运行的线程会被加入到这个队列中。

简析 Linux 的 CPU 时间

每个队列可以进一步细分为 3 个队列以及 5 种调度策略:

  • dl_rq
    • SCHED_DEADLINE 选择 deadline 距离当前时间点最近的任务执行
  • rt_rq —— 可以互相抢占的实时任务
    • SCHED_FIFO 一旦抢占到 CPU 资源,就会一直运行直到退出,除非被高优先级抢占
    • SCHED_RR 当 CPU 时间片用完,内核会把它放到队列末尾,可以被高优先级抢占
  • cfs_rq —— 公平占用 CPU 时间的普通任务
    • SCHED_NORMAL 普通进程
    • SCHED_BATCH 后台进程

Linux 内核在选择下一个任务执行时,会按照该顺序来进行选择,也就是先从 dl_rq 里选择任务,然后从 rt_rq 里选择任务,最后从 cfs_rq 里选择任务。所以实时任务总是会比普通任务先得到执行。

实时进程的优先级总是高于普通进程,因此当系统中有实时进程运行时,普通进程几乎是无法分到时间片的。


nice 值

为了保证 cfs_rq 队列的公平性,Linux 采用完全公平调度算法 CFS Completely Fair Scheduler进行调度,保证每个普通进程都尽可能被调度到。

CFS 引入了 vruntime 作为衡量是否公平的依据:

  • vruntime 与任务占用的 CPU 时间成正比
  • vruntime 与任务优先级成反比(优先级越高vruntime增长越慢)

如果一个任务的 vruntime 较小,说明它以前占用 CPU 的时间较短,受到了不公平对待,因此该进程会被优先调度,从而到达所谓的公平性。

为了实现可控的调度,Linux 为普通进程引入了 nice 值的概念。其的取值其范围是 -20 ~ +19,调整该值会改变进程的优先级:prirority += nice

与此同时 vruntime 计算也会受到影响:

进程的 nice 值越小, 优先级越高, 所能分到的运行时间也越多

当用户进程设置了一个大于 0 的 nice 值时,其用户态的运行时间将被统计为nice time 而不是 user time。简单来说,nice time 表示 CPU 花了多少时间用于运行低优先级的任务。

nice time 占比比较高时,通常是某些定时任务调度器导致的:它们会为后台任务进程设置一个较大的 nice 值,避免这些进程与其他线程争抢 CPU 资源。


软中断

中断就是一种插队机制,可以让操作系统优先处理一些紧急的任务。当硬件设备(例如,网卡)需要向 CPU 发出信号时(例如,数据已到达),就会产生硬件中断。

CPU 接收到中断时,会切换到内核态执行特定的中断服务,并且期间不允许其他中断抢占(关中断)。
当中断服务需要执行较长时间时,可能会导致且其他的中断得不到及时的响应。

为了提高中断处理效率,操作系统在之前的基础上把中断处理分成两部分:

  • 上半部top half:在屏蔽中断的上下文中运行,用于完成关键性的处理动作
  • 下半部bottom half:不在中断服务上下文中执行,主要处理不那么急迫但耗时的任务

内核在处理完中断上半部后,可以延期执行下半部,该机制被称为软中断softirq
软中断处理的过程是不会关中断的,因此当有硬中断到来的时候,可以及时响应。

构成软中断机制的核心元素包括:

  • 注册: 软中断状态寄存器 irq_stat
  • 处理: 软中断向量表 softirq_vec
  • 触发: 软中断守护线程 daemon

简析 Linux 的 CPU 时间

  1. 调用open_softirq()将软中断服务程序注册到软中断向量表softirq_vec(可选)

  2. 调用raise_softirq()触发软中断事务

    • 中断关闭的情况下,设置软中断状态位irq_stat
    • 如果调用者不在中断上下文(普通进程调用),那么直接唤醒daemon线程
  3. daemon线程被唤醒后会运行do_softirq()处理软中断

    • 检查 irq_stat 是否存发生软中断事件
    • 调用 softirq_vec 中对应的软中断服务程序
    • 再次检查 irq_stat,如果发现新的软中断,就会唤醒ksoftrqd线程来处理

ksoftrqd 机制

我们知道 CPU 执行的优先级为:硬中断 > 软中断 > 普通进程。
这意味着:

  • 一个软中断不会去抢占另一个软中断,只有硬件中断才可以抢占软中断
  • 如果软中断太过频繁,用户进程可能永远无法获得 CPU 时间

为了保证公平性,内核为每个 CPU 都配置一个ksoftrqd线程。如果所有的软中断在短时间内无法被处理完,内核就会唤醒ksoftrqd处理剩余的软中断。以下面这张图为例:
简析 Linux 的 CPU 时间

  • 网卡数据就绪,通过硬中断通知 CPU 进行处理
  • 硬中断服务程序调用raise_softirq()触发软中断,唤醒daemon
  • 硬中断服务程序退出后,daemon被唤醒开始处理软中断
  • 遍历过一遍向量表后,daemon发现仍有未处理的软中断,唤醒ksoftrqd
  • ksoftrqd获得 CPU 时间片后,继续处理未完成的软中断

由于 ksoftrqd 其实是一个 nice 值为 0 的普通线程,会进入 cfs_rq 参与调度,可以和普通进程公平地使用 CPU。

但如果 ksoftrirqd 长时间得不到 CPU,就会致使软中断的延迟变得很大,因此 ksoftirqd 的实时性是很难得到保障。

典型问题是 ping 延迟:如果 ping 包无法在软中断里得到处理,就会被 ksoftirqd 处理,导致 ping 延迟变得很大。


中断的影响

硬中断的优先级很高,但是需要的 CPU 时间极少。当出现大量硬中断时,可能会引起较多的 CPU 用户态与内核态的切换,但是interrupt time不会显著上升。

此外,由于部分内核代码是不可重入的(例如,修改寄存器),其执行过程不能打断。因此这些代码的执行过程中,会屏蔽掉硬中断。

关中断的操作在内核里随处可见,这反过来会给硬中断带来一些影响。比如,进程关中断时间太长会导致网络报文无法及时处理,进而引起业务性能抖动。

而软中断的执行时间如果太长,就会给用户线程带来延迟,如果 softirq time 很大则很可能意味着用户线程会受到影响。

网络 IO 频繁的应用机器的 softirq time 通常会比较高,可能存在网络连接数过多,或者网络流量过大的情况,

ksoftirqd 的优先级与用户线程是一致的,因此,如果软中断处理函数是在 ksoftirqd 里执行的,那它可能会有一些延迟。


时间窃取

在 GNU top命令中,steal time定义为 “虚拟机管理进程 hypervisor 从 VM 窃取的时间”。 该概念是Xen,KVM,VMware 等社区或者厂商推广到Linux社区的。

当系统管理进程和 VM 尝试占用同一物理 CPU 核 pCPU 时,会导致 VM 的虚拟 CPU vCPU 可用的处理器时间减少,从而造成 VM 性能下降。

中虚拟化环境中,可能发生时间窃取的一些情况:

  • 多个高负载 VM 的 vCPU 的运行在同个 pCPU 上(公有云的 CPU 超卖)
  • VM 的 vCPU 与线程绑定在了某个特定的 pCPU 上,导致虚拟主机 vhost 进程处理 I/O 时从这些 vCPU 上窃取时间
  • 虚拟机监控程序进程(例如监视,日志记录和I/O进程)与 VM 争抢 pCPU

参考资料

https://www.cnblogs.com/Anker/p/3269106.html
https://zhuanlan.zhihu.com/p/69554144
https://blog.csdn.net/helloanthea/article/details/28877221
https://blog.csdn.net/lenomirei/article/details/79274073
https://www.jianshu.com/p/673c9e4817a8
https://opensource.com/article/20/1/cpu-steal-time
https://www.cnblogs.com/menkeyi/p/6732020.html
https://blog.csdn.net/zxh2075/article/details/78262568
https://kb.cnblogs.com/page/207897/
https://www.cnblogs.com/charlesblc/p/6255806.html
http://www.wowotech.net/linux_kenrel/soft-irq.html