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Linux—CPU核数、上下文切换介绍及pidstat等命令详解

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引言

并发编程

??并发编程的目的是为了改善串行程序执行慢问题，但是，并不是启动更多线程就能够让程序执行更快。因为在并发时，容易受到软硬件资源等限制，从而导致上下文切换慢，频繁的上下文切换导致并发程序执行起来反而不如串行程序，违背了让程序运行得更快一些这个最初的梦想。

单核和多核CPU

??在介绍上下文切换前，我们先来了解一下计算机CPU的单核和多核概念。
??最开始的单核CPU比较死脑，在通电时CPU就执行存储块中的指定地址的指令，如果想要执行内存块其他地方的代码必须调整总线位置才可以执行，这就阻塞程序了，期间只能执行某一个程序。后来，英特尔演进了一种叫做时间轴的工作方式，增加晶体管，CPU工作效率提高，并基于时钟电路控制CPU跳转到指定地址，借助操作系统来利用时钟电路控制CPU的跳转。
??多核集成在一个芯片里，由多个CPU组成，多核通过内部总线交互和共享数据，其中会有一个核专门分配给操作系统用，由操作系统分配资源及控制CPU执行程序。

windows查看核数

??打开命令行模式，可以利用Win+r键打开运行，然后输入cmd。
除了直接使用systeminfo命令，下面我们介绍wmic命令来查看计算机相关信息。

输入wmic，进入命令行环境
cpu get Name：查看计算机的cpu信息
cpu get NumberOfCores：查看计算机的cpu核数
cpu get NumberOfLogicalProcessors：查看计算机的cpu线程数

C:\Users\Lenovo>wmic
wmic:root\cli>cpu get Name
Name
Intel(R) Core(TM) i7-8700 CPU @ 3.20GHz

wmic:root\cli>cpu get NumberOfCores
NumberOfCores
6

wmic:root\cli>cpu get NumberOfLogicalProcessors
NumberOfLogicalProcessors
12

wmic:root\cli>

linux查看核数

??一般linux的CPU相关信息都是存储在/proc/cpuinfo内，内存信息存储在/proc/meminfo中。

cat /proc/cpuinfo| grep "physical id"| sort| uniq| wc -l：查看物理CPU个数
cat /proc/cpuinfo| grep "cpu cores"| uniq：查看单个CPU核数
cat /proc/cpuinfo| grep "processor"| wc -l：查看逻辑CPU个数
cat /proc/meminfo| grep MemTotal：查看内存大小

[linux@01 ~]$ cat /proc/cpuinfo| grep "cpu cores"| uniq
cpu cores       : 1
[linux@01 ~]$ cat /proc/cpuinfo| grep "physical id"| sort| uniq| wc -l
16
[linux@01 ~]$ cat /proc/cpuinfo| grep "processor"| wc -l
16
[linux@01 ~]$ cat /proc/meminfo| grep MemTotal
MemTotal:       32780412 kB

上下文切换

上下文切换的介绍

??我们对于单核和多核不陌生了，自己的电脑或者使用的机器总是希望核数越多越好，毕竟多核能够支持更好的多线程并发。当然，单核处理器也支持多线程执行代码，CPU是通过给每个线程分配CPU时间片来实现。
??时间片就是CPU分配给各个线程的时间，那单核是如何实现多线程并发执行的呢？那是因为时间片非常短（一般是几十毫秒），CPU通过切换线程交替执行，给你一种错觉好像是多个线程同时执行了。
??CPU通过时间片来执行多线程执行，当前任务执行一个时间片后切换到下一个任务继续执行，在切换任务前呢，其实CPU会保存该任务的状态，这样在下次切回该任务时，可以再加载这个任务的状态，继续执行（其实也就是保存当前线程的运行位置，同时呢，会加载需要恢复的线程环境相关信息。）。任务从保存到再加载的过程，这就是一次上下文切换的过程。
??上下文切换一旦频繁，必定消耗CPU资源，必定耗时，并发的性能将会受到影响。如何减少？

上下文切换的减少

??减少上下文切换的方法有无锁并发编程、CAS算法、使用最少线程和使用协程方式。

无锁并发编程：多线程竞争锁时，大量的任务交替执行，会引起上下文切换，在多线程处理数据时，我们可以使用一些无锁方式来处理共享数据，比如将数据的ID按照Hash算法取模进行分段，这样不同的线程去处理不同分段的数据。
CAS算法：JAVA的Atomic包就使用了CAS算法来更新数据，无需加锁。
使用最少线程：在程序开发过程中，要避免创建不必要的线程，如并发任务很少，若创建了很多线程来处理任务，可能在程序运行时，大部分线程都是出于等待闲置的状态。比如减少线上大量的WAITING线程，我们可以通过jstack [pid] > dumpName将某个进程的线程信息dump到dumpName文件中，然后通过筛选（grep java.lang.Thread.State dumpName | awk '{print $2$3$4$5}' | sort | uniq -c）出多少个线程处于WAITING状态。或者直接通过jstack -l [pid]| grep BLOCKED、jstack -l [pid]| grep WAITING等命令查看该进程的线程信息。
协程：在单线程里实现多个任务的调度，并在单个线程里面维持多个任务的切换。

上下文切换的查看

??我们可以使用vmstat命令和pidstat命令查看上下文切换的次数等信息。

vmstat命令

??vmstat命令是Virtual Memory Statistics虚拟内存统计的缩写，可以对操作系统的虚拟内存、进程、CPU活动等进行监控统计。

vmstat命令参数详解

[linux@01 ~]$ vmstat -help

Usage:
 vmstat [options] [delay [count]]

Options:
 -a, --active           active/inactive memory
 -f, --forks            number of forks since boot
 -m, --slabs            slabinfo
 -n, --one-header       do not redisplay header
 -s, --stats            event counter statistics
 -d, --disk             disk statistics
 -D, --disk-sum         summarize disk statistics
 -p, --partition <dev>  partition specific statistics
 -S, --unit <char>      define display unit
 -w, --wide             wide output
 -t, --timestamp        show timestamp

 -h, --help     display this help and exit
 -V, --version  output version information and exit

For more details see vmstat(8).

比较常用的直接使用vmstat a，其中a代表的是多少秒实时显示。

vmstat 实时统计整体情况

语法：

vmstat [count]

参数说明：

count：表示统计间隔。

示例：

[linux@01 ~]$ vmstat 1
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
 r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st
 1  0      0 13223320 146732 1982108    0    0     0     3    0    0  0  0 99  0  0
 1  0      0 13222504 146732 1982108    0    0     0   172  747 1224  0  0 99  0  0
 0  0      0 13222696 146732 1982108    0    0     0    44 1078 1464  0  0 99  0  0
 0  0      0 13223492 146732 1982108    0    0     0     0  749 1189  0  0 100  0  0
 0  0      0 13223260 146732 1982092    0    0     0    16  789 1272  0  0 100  0  0
 0  0      0 13223620 146732 1981996    0    0     0     0 1359 1589  0  0 99  0  0
 0  0      0 13224364 146732 1981996    0    0     0   156  817 1279  0  0 100  0  0
 0  0      0 13222488 146732 1981996    0    0     0    32  792 1292  0  0 100  0  0

pidstat命令

??vmstat可以对操作系统进行整体情况统计，但是无法对某个进程进行统计分析，下面学习一下pidstat命令，可以针对整体或者某个进程进行分析。

pidstat安装

??pidstat命令是对linux系统监控的一种命令，使用该命令可以对linux进程数据进行监控，可以输出每个受内核管理的任务相关信息，而pidstat是sysstat软件套件的一部分，所以首先得安装该命令。
??如果是centos系统，使用yum install sysstat安装即可。

pidstat命令参数详解

[linux@01 ~]$ pidstat -help
Usage: pidstat [ options ] [ <interval> [ <count> ] ]
Options are:
[ -d ] [ -h ] [ -I ] [ -l ] [ -r ] [ -s ] [ -t ] [ -U [ <username> ] ] [ -u ]
[ -V ] [ -w ] [ -C <command> ] [ -p { <pid> [,...] | SELF | ALL } ]
[ -T { TASK | CHILD | ALL } ]

其中：

interval：表示间隔多久统计一次数据，可选的参数。
count：表示统计多少次，可选参数，若只传了interval，而无count，则默认无限次统计次数。

pidstat cpu统计

语法：

全量：pidstat -u [interval] [count]或者默认pidstat [interval] [count]
某个任务：pidstat -p <pid> [interval] [count]

全量任务cpu统计示例

[linux@01 ~]$ pidstat
Linux 3.10.0-514.el7.x86_64 (01)  03/09/2021      _x86_64_        (16 CPU)

08:45:48 AM   UID       PID    %usr %system  %guest    %CPU   CPU  Command
08:45:48 AM     0         1    0.00    0.00    0.00    0.00    14  systemd
08:45:48 AM     0         2    0.00    0.00    0.00    0.00    15  kthreadd
08:45:48 AM     0         3    0.00    0.00    0.00    0.00     0  ksoftirqd/0
08:45:48 AM     0         7    0.00    0.00    0.00    0.00     0  migration/0
08:45:48 AM     0         9    0.00    0.01    0.00    0.01    15  rcu_sched
08:45:48 AM     0        10    0.00    0.00    0.00    0.00     0  watchdog/0
08:45:48 AM     0        11    0.00    0.00    0.00    0.00     1  watchdog/1
08:45:48 AM     0        12    0.00    0.00    0.00    0.00     1  migration/1
08:45:48 AM     0        13    0.00    0.00    0.00    0.00     1  ksoftirqd/1

某个pid任务cpu统计示例

[linux@01 ~]$ pidstat -u -p 27680 1 
Linux 3.10.0-514.el7.x86_64 (01)  03/09/2021      _x86_64_        (16 CPU)

09:14:19 AM   UID       PID    %usr %system  %guest    %CPU   CPU  Command
09:14:20 AM  1000     27680    1.00    0.00    0.00    1.00     8  java
09:14:21 AM  1000     27680    0.00    0.00    0.00    0.00     8  java
09:14:22 AM  1000     27680    0.00    0.00    0.00    0.00     8  java
09:14:23 AM  1000     27680    0.00    0.00    0.00    0.00     8  java

统计参数详解：

UID：表示监视任务的真实用户标识编号。
PID：表示被监控任务的进程号
%usr：表示该任务在用户态应用程序执行时的CPU使用率，该字段的CPU计算时间不包括在虚拟处理器中花去的时间。（用户层面）
%system ：表示该任务在内核态执行时的CPU使用率。（系统层面）
%guest：表示该任务在虚拟机处理器上执行时的CPU使用率。(虚拟层面)。
%CPU：表示该任务总的CPU使用率。在多处理器环境中，如果带上-I参数，CPU使用率的计算会除以机器的CPU数量。
CPU：表示正在运行该任务的处理器编号。
Command：表示该任务的执行命令名称。

pidstat I/O统计

语法：

pidstat -d -p <pid>

示例：

[linux@01 ~]$ pidstat -d -p 27680
Linux 3.10.0-514.el7.x86_64 (01)  03/09/2021      _x86_64_        (16 CPU)

08:52:55 AM   UID       PID   kB_rd/s   kB_wr/s kB_ccwr/s  Command
08:52:55 AM  1000     27680      0.00      0.01      0.00  java

统计参数详解：

UID：表示监视任务的真实用户标识编号。
PID：表示被监控任务的进程号
kB_rd/s：表示该任务从硬盘上的读取速度，rd表示read。
kB_wr/s：表示该任务向硬盘中的写入速度，wr表示write。
kB_ccwr/s：表示该任务写入磁盘被取消的速度。ccwr表示cancel write。
Command：表示该任务的执行命令名称。

pidstat 内存统计

语法：

pidstat -r -p <pid>

示例：

[linux@01 ~]$ pidstat -r -p 27680
Linux 3.10.0-514.el7.x86_64 (01)  03/09/2021      _x86_64_        (16 CPU)

08:56:48 AM   UID       PID  minflt/s  majflt/s     VSZ    RSS   %MEM  Command
08:56:48 AM  1000     27680      0.01      0.00 13124360 2489432   7.59  java

统计参数详解：

UID：表示监视任务的真实用户标识编号。
PID：表示被监控任务的进程号。
minflt/s：表示从内存中加载数据时每秒出现的较小错误数目，这些不要求从磁盘载入内存页面，其中minflt表示minor fault。
majflt/s：表示从内存中加载数据时每秒出现的较大错误数目，这些要求从磁盘载入内存页面，其中majflt表示major fault。
VSZ：表示虚拟容量，整个进程的虚拟内存使用(单位：kb)
RSS：表示长期内存使用，任务的不可交换物理内存的使用量(单位：kb)
Command：表示该任务的执行命令名称。

pidstat 间隔有限次数监控

语法：

pidstat -p <pid> [interval] [count]

示例

[linux@01 ~]$ pidstat -p 27680 1 5
Linux 3.10.0-514.el7.x86_64 (01)  03/09/2021      _x86_64_        (16 CPU)

09:03:55 AM   UID       PID    %usr %system  %guest    %CPU   CPU  Command
09:03:56 AM  1000     27680    0.00    0.00    0.00    0.00     8  java
09:03:57 AM  1000     27680    0.00    0.00    0.00    0.00     8  java
09:03:58 AM  1000     27680    1.00    0.00    0.00    1.00     8  java
09:03:59 AM  1000     27680    0.00    0.00    0.00    0.00     8  java
09:04:00 AM  1000     27680    0.00    0.00    0.00    0.00     8  java
Average:     1000     27680    0.20    0.00    0.00    0.20     -  java

pidstat 上下文切换统计

语法：

pidstat -w <pid> [interval] [count]

示例

[linux@01 ~]$ pidstat -w -p 27680
Linux 3.10.0-514.el7.x86_64 (01)  03/09/2021      _x86_64_        (16 CPU)

09:11:15 AM   UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command
09:11:15 AM  1000     27680      0.00      0.00  java
[linux@01 ~]$ pidstat -w -p 27680 1 10
Linux 3.10.0-514.el7.x86_64 (01)  03/09/2021      _x86_64_        (16 CPU)

09:11:39 AM   UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command
09:11:40 AM  1000     27680      0.00      0.00  java
09:11:41 AM  1000     27680      0.00      0.00  java
09:11:42 AM  1000     27680      0.00      0.00  java
09:11:43 AM  1000     27680      0.00      0.00  java
09:11:44 AM  1000     27680      0.00      0.00  java
09:11:45 AM  1000     27680      0.00      0.00  java
09:11:46 AM  1000     27680      0.00      0.00  java
09:11:47 AM  1000     27680      0.00      0.00  java
09:11:48 AM  1000     27680      0.00      0.00  java
09:11:49 AM  1000     27680      0.00      0.00  java
Average:     1000     27680      0.00      0.00  java

统计参数详解：

UID：表示监视任务的真实用户标识编号。
PID：表示被监控任务的进程号。
cswch/s：表示该任务每秒自愿上下文切换次数，当某一任务处于阻塞等待时，将主动让出自己的CPU资源。其中cswch表示context switch。
nvcswch/s：表示该任务每秒非资源上下文切换次数，CPU分配给某一任务的时间片已经用完，因此将强迫该进程让出CPU的执行权。其中nvcswch表示involuntary context switch
Command：表示该任务的执行命令名称。

REF《Java并发编程的艺术》

内容总结

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上下文切换的减少

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