极客时间 - 《Linux 性能优化实战》原文链接：https://time.geekbang.org/column/intro/100020901
02 | 基础篇：到底应该怎么理解“平均负载”？
在Linux系统中，当一个进程启动时，操作系统会为该进程申请哪些资源？（9点）
- PID：系统中唯一标识，用于区分不同的进程，进行进程管理和调度。
- 虚拟内存空间：包括代码段、数据段、堆、栈等，存储进程代码、数据、运行时堆栈等信息。
- 文件描述符：进程可以打开文件、管道、套接字等，操作系统会为这些打开的资源分配文件描述符，用于标记和访问这些资源。
- CPU时间片：确保进程能够获得必要的CPU资源来执行其任务。
- 进程控制块 PCB：操作系统会为每个进程创建一个进程控制块，其中包含进程的状态信息、寄存器值、调度信息等，用于管理和调度进程。
- 环境变量：包含了一些配置信息和运行时参数，影响进程运行和配置。
- 信号处理器：操作系统会为进程设置信号处理器，用于处理各种信号事件（如中断、终止信号等），确保进程能够正确响应各种信号事件。
- 用户和组ID，用于权限管理和访问控制。
- 网络资源：socket，支持进程进行网络通信。
如何理解进程的 S 状态？
- S（interruptible Sleep）
- 进入条件：需要等待可被信号中断的事件发生。
- 可处理信号。
- 进程暂停执行，释放CPU资源。
- 等待的特定事件发生后，从S状态转换为就绪状态，等待CPU调度执行。
- 应用场景：文件IO，网络通信，进程间通信。
如何理解进程的 D 状态？
- D（Uninterruptible Sleep）
- 进入条件：需要等待可被信号中断的事件发生。
- 不可处理信号，直到等待事件发生。（这个时候信号会等事件响应之后处理吗？）
- 进程暂停执行，释放CPU资源。
- 等待的特定事件发生后，从S状态转换为就绪状态，等待CPU调度执行。
- 应用场景（进程与硬件设备直接交互）：磁盘读写，DMA操作，内核锁，内核同步操作。
如何理解进程的 R 状态？
- R（Running）:进程正在被CPU调度，占用CPU。
- R（Runnable）：进程等待被CPU调度，不占用CPU。
如何理解进程的 Z 状态？
- Z（Zombie）僵尸状态。
- 子进程执行结束，子进程描述符保留在操作系统进程表中。
- 子进程不能通过发送信号杀死，需要通过父进程调用
wait() 或 waitpid() 来获取其退出状态信息后，操作系统释放进程描述符。 - 父进程执行结束，操作系统也会释放子僵尸进程描述符。
- 不占用CPU和内存资源，占用进程表中的一个进程描述符。
如何理解父进程执行结束，操作系统也会释放子僵尸进程描述符？
- 操作系统检测到父进程结束。
- 将僵尸子进程PPID改为1，即 init 进程的PID。
- init进程会定期调用 wait() 或 waitpid() 系统调用来获取僵尸子进程的退出状态，操作系统释放僵尸子进程资源（包括文件描述符），结束这些僵尸子进程的生命周期。
如何理解进程的 I 状态？
如何理解进程的 T 状态？
如何理解平均负载？
单位时间内，系统处于 R状态（正在使用 CPU 或者正在等待 CPU 的进程） 和 D状态（不可中断睡眠状态的进程） 的平均进程数。
如何理解 uptime 的运行结果？如何判断结果是否正常或异常？
TUPIAN
$ uptime
02:34:03 up 2 days, 20:14, 1 user, load average: 0.63, 0.83, 0.88
正常情况：
- 平均负载数值 / CPU逻辑核心数 < 70%。
- 分析趋势：1 分钟、5 分钟、15 分钟的三个值基本相同，或者相差不大。
异常情况：
- 平均负载数值 / CPU逻辑核心数 > 70%。
- 分析趋势：1 分钟、5 分钟、15 分钟的三个值递减，说明最近这段时间负载在增加，一旦 1 分钟的平均负载接近或超过了逻辑 CPU 的个数，就意味着系统正在发生过载问题，需要分析问题并进行优化。
如何理解CPU使用率？
如何理解CPU使用率和平均负载的关系？
| 场景 | CPU使用率 | 平均负载 |
|---|
| CPU密集型进程 | ↑（CPU实际使用率会升高。） | ↑（正在使用CPU的进程数增加。） |
| IO密集型 | —（IO操作不会占用CPU。） | ↑（等待IO，不可中断睡眠状态进程数增加。） |
| 大量等待CPU调度的进程 | ↑（大量进程在进行上下文切换，会消耗CPU，CPU并没有在真正的执行进程指令。） | ↑（等待CPU调度的进程数增加。） |
如何理解 mpstat 工具？
功能：多核 CPU 性能分析工具，用来实时查看每个 CPU 的性能指标，以及所有 CPU 的平均指标。
执行结果分析：
如何理解 pidstat 工具？
功能：进程性能分析工具，用来实时查看进程的 CPU、内存、I/O 以及上下文切换等性能指标。
执行结果分析：
03 | 基础篇：经常说的 CPU 上下文切换是什么意思？（上）
CPU中有哪些常见的寄存器，功能是什么？（9种）
- 通用寄存器（General Purpose Registers, GPRs）：存储数据和地址。
- 程序计数器（Program Counter）：存储下一条要执行的指令的地址。
- 栈寄存器（Stack Pointer, SP）：指向当前栈的顶部。
- 基址指针（Base Pointer, BP）：指向栈中的某个固定地址（通常是函数的栈起始地址），通过 基址指针 + 偏移 访问局部变量和参数。
- 指令寄存器（Instruction Register）：存储当前正在执行的指令。
- 状态寄存器（Status Register）：存储CPU执行指令后的状态信息，如进位标志（CF）、零标志（ZF）、符号标志（SF）、溢出标志（OF）等。
- 浮点寄存器：用于存储浮点数和SIMD（单指令多数据）指令的数据。
- 控制寄存器：存储CPU的控制信息，如分页机制、保护模式、调试等。
- 调试寄存器：用于硬件调试，如设置断点、监视内存访问等。
进程的上下文切换都切换了哪些信息？（7条）
- 所有寄存器信息。
- 虚拟内存信息。
- 进程状态。（就绪，等待，运行等）
- 进程优先级。
- IO状态信息：IO缓冲区、文件打开状态等。
- 资源使用情况。（CPU使用时间，内存使用情况等）
- 信号处理相关信息。（待处理的信号列表，信号处理函数地址等）
CPU在什么情况下切换到其他进程运行？（6点）
- 分片的时间片用完。
- 当前进程执行结束。
- 程序主动 sleep。
- 资源不足（例如：内存）。
- 硬件中断，执行内核中断服务程序。
- 高优先级进程运行存在时。
同一进程内线程的上下文切换，哪些信息会切换？哪些信息不会切换？
会切换的信息（5条）
- 程序计数器（Program Counter）：保存当前线程下一条要执行的指令的地址。
- 寄存器状态：包括通用寄存器、浮点寄存器、状态寄存器等所有CPU寄存器的内容。
- 栈指针和基址指针：保存当前线程栈顶和栈起始位置。
- 线程状态：运行、就绪、阻塞等状态。
- 线程本地存储：保存线程私有数据。
不会切换的信息（4条）
- 进程虚拟地址空间：同一进程内所有线程共享相同的虚拟地址空间（代码段、数据段、堆等）。
- 全局变量和静态变量：进程的虚拟地址空间共享。
- 打开的文件描述符和文件系统信息：进程级别资源。
- 信号处理设置。
中断的上下文切换，哪些信息会切换？哪些信息不会切换？
会切换的信息（4条）
- 通用寄存器。
- 程序计数器（Program Counter）：存储下一条要执行的指令的地址。
- 栈寄存器（Stack Pointer, SP）：指向当前栈的顶部。
- 状态寄存器（Status Register）：存储CPU执行指令后的状态信息，如进位标志（CF）、零标志（ZF）、符号标志（SF）、溢出标志（OF）等。
不会切换的信息（3条）
- 内存内容：内存中的数据通常不会因为中断而切换，除非中断处理程序需要修改这些数据。
- 外部设备状态：外部设备的状态（如硬盘、网络接口等）不会因为中断而切换，这些状态由设备自身管理。
- 全局变量和静态变量：这些变量的值通常不会因为中断而切换，除非中断处理程序需要修改这些变量。
04 | 基础篇：经常说的 CPU 上下文切换是什么意思？（下）
如何理解 vmstat 工具？
功能：
执行结果分析：
如何理解 pidstat 工具查看线程上下文切换？
功能：pidstat -wt 1
执行结果分析：
如何理解 cswch 和 nvcswch ？
cswch（每秒自愿上下文切换（voluntary context switches）的次数）：系统资源不足发生。
cswch变多，进程都在等待资源，有可能发生了 I/O 等其他问题；
nvcswch（每秒非自愿上下文切换（non voluntary context switches）的次数）：时间片用完，系统强制调度。
nvcswch变多，进程都在被强制调度，也就是都在争抢 CPU，说明 CPU 的确成了瓶颈；
如何查看中断升高发生的类型？
功能：watch -d cat /proc/interrupts
interrupt变多， CPU 被中断处理程序占用，需要通过查看 /proc/interrupts 文件来分析具体的中断类型。
什么情况的每秒上下文切换才算正常？
- 稳定在1万次以内。
- 有增长，但是次数不是数量级的增长。
05 | 基础篇：某个应用的CPU使用率居然达到100%，我该怎么办？
如何理解 top 命令的运行结果？
如何理解 ps 命令的运行结果？
如何理解 平均CPU使用率？
TUPIAN：公式
如何理解CPU节拍率？
CPU节拍率：CPU每秒发生时钟中断的次数，如果是100，则CPU每秒发生100次时钟中断。
每次时钟中断的发生，操作系统都有机会进行上下文切换，实现多个任务共享CPU时间，实现多任务并发处理。
分析一下 man proc？
如何使用 perf 工具定位到 CPU占用率高的具体源码行数？
06 | 案例篇：系统的 CPU 使用率很高，但为啥却找不到高 CPU 的应用？
如何理解 pstree 命令？
如何理解 execsnoop 命令？