CPU性能判断指标---上下文切换，运行队列和使用率

关于CPU，有3个重要的概念：上下文切换（context switchs），运行队列（Run queue）和使用率（utilization）。

上下文切换：

目前流行的CPU在同一时间内只能运行一个线程，超线程的处理器可以在同一时间运行多个线程（包括多核CPU），Linux内核会把多核的处理器当作多个单独的CPU来识别。
　一个标准的Linux内核可以支持运行50～50000个进程运行，对于普通的CPU，内核会调度和执行这些进程。每个进程都会分到CPU的时间片来运行，当一个进程用完时间片或者被更高优先级的进程抢占后，它会备份到CPU的运行队列中，同时其他进程在CPU上运行。这个进程切换的过程被称作上下文切换。过多的上下文切换会造成系统很大的开销。

[work106 ~]$ vmstat
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- --system-- -----cpu-----
 r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st
 4  0 1874084 3341144 296868 16677400    0    0     0     9    0    0  7  1 91  0  0
cs表示上下文切换的数量

运行队列

每个CPU都会维持一个运行队列，理想情况下，调度器会不断让队列中的进程运行。进程不是处在sleep状态就是run able状态。如果CPU过载，就会出现调度器跟不上系统的要求，导致可运行的进程会填满队列。队列愈大，程序执行时间就愈长。

[work106 ~]$ uptime
 11:44:52 up 839 days, 19:55,  2 users,  load average: 11.11, 10.33, 9.94

"load average" 用来表示运行队列，用top 命令我们可以看到CPU一分钟，5分钟和15分钟内的运行队列的大小。这个值越大表明系统负荷越大。

[work106 ~]$ vmstat
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- --system-- -----cpu-----
 r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st
 4  0 1874084 3341144 296868 16677400    0    0     0     9    0    0  7  1 91  0  0
r表示运行队列的大小，r的参考值是：小于4，队列大于4时，表明系统的cpu或内存可能有问题，如果r经常大于4，且id经常少于40，表示cpu的负荷很重。当队列变长时，队列中进程在等待cpu调度执行时所花的时间会变长.
id参考值： 大于40，如果r经常大于4，且id经常小于40，表示cpu的负荷很重。
wa 参考值：小于25%，超过25%的wa的值可以表示磁盘子系统可能没有被正确平衡，也可能是磁盘密集工作负载的结果，系统的磁盘或其它I/o可能有问题，可以通过iostat/SAR –C命令进一步分解分析

关于时间片和动态优先级

时间片对于CPU来说是很关键的参数，如果时间片太长，就会使系统的交互性能变差，用户感觉不到并行。如果太短，又会造成系统频繁的上下文切换，使性能下降。对于IO Bound的系统来讲并不需要太长的时间片，因为系统主要是IO操作；而对于CPU Bound的系统来说需要长的时间片以保持cache的有效性。
　　每一个进程启动的时候系统都会给出一个默认的优先级，但在运行过程中，系统会根据进程的运行状况不断调整优先级，内核会升高或降低进程的优先级（每次增加或降低5），判断标准是根据进程处于sleep状态的时间。
　　IO Bound进程大部分时间在sleep状态，所以内核会调高它的优先级，CPU Bound进程会被内核惩罚降低优先级。因此，如果一个系统上即运行IO Bound进程，又运行CPU Bound进程，会发现，IO Bound进程的性能不会下降，而CPU Bound进程性能会不断下降。

经验总结：

top - 12:00:20 up 839 days, 20:11,  2 users,  load average: 10.54, 10.15, 9.87
Tasks: 228 total,   1 running, 227 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
Cpu(s): 66.0%us,  7.9%sy,  0.0%ni, 25.5%id,  0.5%wa,  0.0%hi,  0.2%si,  0.0%st

1. 对于每一个CPU来说运行队列不要超过3，例如，如果是双核CPU就不要超过6；
2. 如果CPU在满负荷运行，应该符合下列分布，
   a) User Time：65%～70%, us过大，说明有用户进程占用很多cpu时间，需要进一步的分析其它软硬件因素。
   b) System Time：30%～35%，sy过大，说明系统管理方面花了很多时间，说明该系统中某个子系统产生了瓶颈，需要进一步分析其它软硬件因素。
   c) User Time+System Time ,合理值范围是 60-85%，如果在一个多用户系统中us+sy时间超过85%，则进程可能要花时间在运行队列中等待，响应时间和业务吞吐量会受损害
   d) Idle：0%～5%, CPU完全空闲的百分比
3. 对于上下文切换要结合CPU使用率来看，如果CPU使用满足上述分布，大量的上下文切换也是可以接受的。
4. 出现cpu计数器不在范围时，不一定是由于cpu资源不够，因为其他资源的也会引起，例如内存不够时，cpu会忙内存管理的事，表面上可能是cpu的利用为100%