CPU基础扫盲：开发人员不得不了解的CPU那些事

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文章目录

• 一、CPU简介
• • 1、单核CPU的组成
  • 2、多核CPU的组成
  • 3、存储器的层级架构
  • 4、CPU的X86和arm架构的区别
  • • （1）指令和指令集
    • （2）主要的CPU架构指令集分类
    • （3）CPU 32位和64位是指什么
    • （4）安装软件的时候支持操作系统由x86、x64是什么意思
    • （5）服务器的CPU到底怎么选
  • 5、CPU的超线程
  • 6、查看CPU信息
  • • （1）查看CPU详细信息
    • （2）查看CPU重要信息
  • 7、CPU指令的内存空间 - 内核态与用户态
  • • （1）什么是内核
    • （2）什么是内核态和用户态
  • 8、中断和CPU的上下文切换
  • • （1）操作系统的中断
    • （2）什么是CPU上下文切换
    • （3）什么情况会发生CPU上下文切换
• 二、CPU指标监控
• • 1、CPU平均负载
  • • （1）什么是平均负载
    • （2）查看CPU平均负载
  • 2、CPU使用率
  • • （1）查看CPU使用率
    • （2）CPU使用率和平均负载的区别
  • 3、监控工具

一、CPU简介

1、单核CPU的组成

CPU是计算机硬件系统的核心部件，也就是整个计算机的大脑。
包含运算器+控制器（两个部件里面有寄存器组），通过CPU内部的总线进行通信。

控制器（Control Unit，简称CU）：计算机的指挥系统，用来控制计算机其它组件的运行。

运算器（算数逻辑运算器，Arithmetic/Logic Unit简称ALU）：运算功能，用来完成各种二进制编码做算数运算和逻辑运算，包括加减乘、与或非运算。

控制器和运算器联系十分紧密，两大部件多数集成在同一芯片，统称为中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）。

寄存器组（Register）：用暂存指令或数据、存储即将执行的指令等多个不同类型的寄存器。

2、多核CPU的组成

单核CPU容易存在瓶颈，现在市面上的CPU通常都是一块CPU上增加多个核心，可以提高CPU并行执行的能力。

多核CPU每个核心是可以运行指令的独立单元，包含了ALU/CU和寄存器。
每个核心配备了L1Cache和L2Cache，多个核心共享L3Cache。利用了多级缓存，提高性能。

比如说现在服务器可以支持多个处理器（CPU），2个CPU、4个CPU等。
加入4个CPU，每块CPU内有8个核心，系统可对外提供32核计算能力。
总核数 = 物理CPU个数 X 每颗物理CPU的核数。
总逻辑CPU数 = 物理CPU个数 X 每颗物理CPU的核数 X 超线程数。

3、存储器的层级架构

存储器的层级架构，根据分类和性能可以分成这么几个级别：

1、L0寄存器：离CPU最近，材料贵费用高，存储大小几字节，速度最快。

2、L1-Cache：离CPU有一定距离，存储空间几十到几百KB。

3、L2-Cache：离CPU的距离比L1更远，存储空间几MB到几十MB。

4、L3-Cache：离CPU的距离比L2更远，存储空间几MB到几十MB。

5、内存：位于主板上，由半导体硅制作，通过总线和CPU连接，几G到几百G不等，成本比上面更低，但是速度慢。

6、硬盘/SSD：硬盘分机械硬盘和固态硬盘SSD，几百G到几十T不等，成本最低，但是速度最慢。

4、CPU的X86和arm架构的区别

在我们购买云服务器时，通常会选择X86还是ARM：

搞明白这个之前，我们需要先搞明白CPU架构的指令集的分类。

（1）指令和指令集

什么是指令：
中央处理器CPU，执行用户和操作系统下发的指令；
指令以0 1 二进制形式组织的机器码，在硬件物理底层 -01用来控制高低电位；
一个加法运算，在x86处理器上的二进制代码【01001000 00000001 11000011】，被称为机器码。

什么是指令集：
指令集规定了一种CPU架构实现哪些【指令的集合】。

（2）主要的CPU架构指令集分类

精简指令集（Reduced Instruction Set Computing，RISC）：
每个指令的运行时间短，完成的动作简单，但做复杂动作则需要多个指令来完成，一般小于200条指令。
ARM架构的CPU，市面上手机/小型设备等大多采用的是这个架构，耗电少/电压低，通常面向移动领域。

复杂指令集（Complex Instrucetion Set Computer，CISC）：
指令数目多且支持的动作复杂，指令的长度不相同，执行耗时也比较长，一般大于200条指令。
x86架构的CPU：通常在家用、商用领域，功耗大，在性能和兼容性方面做的更好。

ARM架构和x86架构是市场份额最大的两大架构，各自有对应的特点和市场。

（3）CPU 32位和64位是指什么

表示一次可以处理多少位二进制，8位的CPU一次只能处理一个字节。
32位的CPU一次能处理4个字节，64位的CPU一次可以处理8个字节，所以64位的CPU在处理速度上较32位的CPU理论上快了一倍。

（4）安装软件的时候支持操作系统由x86、x64是什么意思

x86：
x86是指Intel的开发的一种32位指令集，是一种CISC复杂指令集，所有Intel/AMD早期的CPU都支持这种指令集。
x86一般用的是32位的系统，但是32位操作系统可以安装在32位CPU或64位CPU的电脑上，但是无法发挥64位CPU电脑的最大性能。

x64：
AMD公司比Intel公司先做x86架构的兼容64位的CPU叫做x64，后来Intel公司也迈向64位时取名较x86_64,。
所以，我们认为x86_64 也叫x64 也叫AMD64，都是一个东西。
Intel和AMD和x86架构CPU指令集上有很大差别，但互相兼容，所以软件可以直接用。
x64支持64位的系统，64位操作系统只能安装在64位处理器的电脑上（CPU必须是64位的）。

所以安装软件的时候，必须要选择与CPU架构匹配的软件，否则会安装不成功：

（5）服务器的CPU到底怎么选

ARM：
近年来ARM64架构突起，现金制作工艺，大幅降低单核功耗以及更高的CPU核心数；
ARM64架构的芯片功耗低性能高价格低，性价比高；
还有很多苹果电脑也逐渐用了ARM64架构的CPU。

x86：
x86偏向高性能的台机（服务器），适用于绝大多数用户的上云场景；是一般用户选择阿里云服务器的主要架构，基本上都是x86架构。

ARM和x86服务器各有优缺点，看场景选择。
个人测试使用可以考虑ARM，价格低性价比高。
生产环境建议选x86，性能好。

5、CPU的超线程

超线程的英文是HT（Hyper-Threading），是一种欺骗操作系统的行为，把一颗CPU当成两颗来用，将一颗具有超线程功能的物理CPU变成两颗逻辑CPU。每颗CPU可以有多个线程，常规数量是两个，比如1核双线程，2核4线程，4核8线程。

多个物理CPU，各个CPU通过总线进行通讯，效率较低；
利用超线程技术模拟出的两个逻辑内核共享同一个CPU资源，效率更高；
同一时刻可以有两个线程都占用CPU资源，两个线程都可以得到执行，实现同一时间执行两个线程的并行操作；
允许两个线程同时不冲突地使用CPU中的资源，通过超线程的技术来提高性能；
CPU的多线程是硬件多线程，程序的多线程是软件的多线程，硬件的多线程是可以被当做一个CPU核心来调度执行任务的CPU资源，这两个概念需要区分开。

6、查看CPU信息

（1）查看CPU详细信息

# 查看CPU详细信息
[root@localhost ~]# cat /proc/cpuinfo 
processor	: 0
vendor_id	: GenuineIntel
cpu family	: 6
model		: 151
model name	: 12th Gen Intel(R) Core(TM) i7-12700
stepping	: 2
cpu MHz		: 2111.996
cache size	: 25600 KB
physical id	: 0
siblings	: 4
core id		: 0
cpu cores	: 4
apicid		: 0
initial apicid	: 0
fpu		: yes
fpu_exception	: yes
cpuid level	: 22
wp		: yes
flags		: fpu vme de pse tsc msr pae mce cx8 apic sep mtrr pge mca cmov pat pse36 clflush mmx fxsr sse sse2 ht syscall nx rdtscp lm constant_tsc rep_good nopl xtopology nonstop_tsc eagerfpu pni pclmulqdq ssse3 cx16 pcid sse4_1 sse4_2 x2apic movbe popcnt aes xsave avx rdrand hypervisor lahf_lm abm 3dnowprefetch invpcid_single fsgsbase bmi1 avx2 bmi2 invpcid rdseed clflushopt md_clear flush_l1d arch_capabilities
bogomips	: 4223.99
clflush size	: 64
cache_alignment	: 64
address sizes	: 46 bits physical, 48 bits virtual
power management:

processor	: 1
vendor_id	: GenuineIntel
cpu family	: 6
model		: 151
model name	: 12th Gen Intel(R) Core(TM) i7-12700
stepping	: 2
cpu MHz		: 2111.996
cache size	: 25600 KB
physical id	: 0
siblings	: 4
core id		: 1
cpu cores	: 4
apicid		: 1
initial apicid	: 1
fpu		: yes
fpu_exception	: yes
cpuid level	: 22
wp		: yes
flags		: fpu vme de pse tsc msr pae mce cx8 apic sep mtrr pge mca cmov pat pse36 clflush mmx fxsr sse sse2 ht syscall nx rdtscp lm constant_tsc rep_good nopl xtopology nonstop_tsc eagerfpu pni pclmulqdq ssse3 cx16 pcid sse4_1 sse4_2 x2apic movbe popcnt aes xsave avx rdrand hypervisor lahf_lm abm 3dnowprefetch invpcid_single fsgsbase bmi1 avx2 bmi2 invpcid rdseed clflushopt md_clear flush_l1d arch_capabilities
bogomips	: 4223.99
clflush size	: 64
cache_alignment	: 64
address sizes	: 46 bits physical, 48 bits virtual
power management:

processor	: 2
vendor_id	: GenuineIntel
cpu family	: 6
model		: 151
model name	: 12th Gen Intel(R) Core(TM) i7-12700
stepping	: 2
cpu MHz		: 2111.996
cache size	: 25600 KB
physical id	: 0
siblings	: 4
core id		: 2
cpu cores	: 4
apicid		: 2
initial apicid	: 2
fpu		: yes
fpu_exception	: yes
cpuid level	: 22
wp		: yes
flags		: fpu vme de pse tsc msr pae mce cx8 apic sep mtrr pge mca cmov pat pse36 clflush mmx fxsr sse sse2 ht syscall nx rdtscp lm constant_tsc rep_good nopl xtopology nonstop_tsc eagerfpu pni pclmulqdq ssse3 cx16 pcid sse4_1 sse4_2 x2apic movbe popcnt aes xsave avx rdrand hypervisor lahf_lm abm 3dnowprefetch invpcid_single fsgsbase bmi1 avx2 bmi2 invpcid rdseed clflushopt md_clear flush_l1d arch_capabilities
bogomips	: 4223.99
clflush size	: 64
cache_alignment	: 64
address sizes	: 46 bits physical, 48 bits virtual
power management:

processor	: 3
vendor_id	: GenuineIntel
cpu family	: 6
model		: 151
model name	: 12th Gen Intel(R) Core(TM) i7-12700
stepping	: 2
cpu MHz		: 2111.996
cache size	: 25600 KB
physical id	: 0
siblings	: 4
core id		: 3
cpu cores	: 4
apicid		: 3
initial apicid	: 3
fpu		: yes
fpu_exception	: yes
cpuid level	: 22
wp		: yes
flags		: fpu vme de pse tsc msr pae mce cx8 apic sep mtrr pge mca cmov pat pse36 clflush mmx fxsr sse sse2 ht syscall nx rdtscp lm constant_tsc rep_good nopl xtopology nonstop_tsc eagerfpu pni pclmulqdq ssse3 cx16 pcid sse4_1 sse4_2 x2apic movbe popcnt aes xsave avx rdrand hypervisor lahf_lm abm 3dnowprefetch invpcid_single fsgsbase bmi1 avx2 bmi2 invpcid rdseed clflushopt md_clear flush_l1d arch_capabilities
bogomips	: 4223.99
clflush size	: 64
cache_alignment	: 64
address sizes	: 46 bits physical, 48 bits virtual
power management:

（2）查看CPU重要信息

# 查看CPU架构
[root@localhost ~]# uname -a
Linux localhost.localdomain 3.10.0-1127.el7.x86_64 #1 SMP Tue Mar 31 23:36:51 UTC 2020 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux

# 查看CPU厂家信息
[root@localhost ~]# cat /proc/cpuinfo | grep name | cut -f2 -d: | uniq -c
      4  12th Gen Intel(R) Core(TM) i7-12700

# 查看物理CPU个数
[root@localhost ~]# cat /proc/cpuinfo | grep "physical id" | sort | uniq | wc -l
1
# 查看每个CPU的核心数
[root@localhost ~]# cat /proc/cpuinfo | grep "cpu cores" | uniq
cpu cores	: 4

# 查看服务器的总核心数，也就是逻辑CPU数 物理CPU数 * 每个CPU核数 * 超线程数
[root@localhost ~]# cat /proc/cpuinfo | grep "processor" | wc -l
4

7、CPU指令的内存空间 - 内核态与用户态

（1）什么是内核

内核是一组应用程序，这类程序能够控制所有的硬件及计算机活动。
内核抽象计算机内部硬件资源，并统一管理对外提供支持，内核操作就是计算机硬件的操作。
内核是计算机资源的最大管理者，比如：CPU进程管理、内存管理、文件系统管理、网络接口管理等。

（2）什么是内核态和用户态

操作系统把进程的运行空间分为内核空间和用户空间。
内核空间（Kernel space），只有内核程序访问，也叫进程内核态，可以直接访问内存、硬盘等资源。
用户空间（user space），专门给应用你程序使用，也叫进程用户态，只能访问受限的用户资源。

CPU有两种工作状态：内核态和用户态，内核态比用户态权限高。

在CPU的所有指令中，有些指令是非常危险的，如果错用将导致系统崩溃，比如申请 - 释放内存、杀进程等。
所以CPU的指令分为特权指令和非特权指令，常规将CPU的特权等级分为4个级别：Ring0 - Ring3。
实际Linux系统只用了Rong0和Ring3，所以进程运行Ring3级别时称为运行在用户态，CPU可以执行部分指令；运行在Ring0级别时称为运行在内核态，CPU可以执行任何指令。

CPU处于空间什么态，实际上代表的就是当前CPU正在执行什么级别的指令。

程序最终会编译成一条条的CPU指令，在CPU上运行。
当用户态的程序需要向操作系统申请更高权限的操作时，需要通过【系统调用】向内核发起请求；
系统调用过程中，会发生CPU上下文切换，CPU寄存器会先保存用户态的状态，然后加载内核态相关内容；
系统调用结束之后，CPU寄存器要恢复原来保存的用户态，继续运行进程；
所以，一次系统调用，会发生两次CPU上下文切换。

8、中断和CPU的上下文切换

（1）操作系统的中断

操作系统的中断，就类似java中的监听器Listener。
CPU在执行当前程序时系统出现某种信号使得CPU必须停止当前程序，去执行另一段程序来处理紧急事务。处理结束后CPU再返回到原来暂停的程序继续执行，这个过程就称为中断。

中断分为两种：
内部中断：指令执行时由CPU主动产生，比如说【基于时间片的优先级调度算法】，到时间后就会发出一个中断信号告诉CPU处理下一个任务。
外部中断：系统外部设备引发的程序中断（网络数据、鼠标键盘操作）。

（2）什么是CPU上下文切换

Linux是一个多任务操作系统，支持的任务同时运行的数量远远大于CPU的数量，
CPU运行程序，每个任务运行之前，CPU需要知道在哪里加载和启动任务，这些信息存储在寄存器和程序计数器中。
寄存器是CPU里面空间小但速度极快的内存，程序计数器存储CPU正在执行的或下一条要执行指令的位置。

CPU寄存器和程序计数器，是CPU在运行任务前依赖的环境，也叫CPU上下文。
CPU上下文切换需要先把前一个任务的CPU上下文保存起来，下次切换回来才知道任务从哪里加载+运行。
再从寄存器和程序计数器加载新任务的上下文运行任务。

每次切换在保存和恢复上下文耗时几十纳秒或微秒（1微秒 = 1000纳秒）

（3）什么情况会发生CPU上下文切换

1、系统调用
即内核态和用户态的切换，一直是同一个进程在运行，不切换进程。一次系统调用的过程发生两次CPU上下文切换。

2、进程切换
每个CPU都维护了一个就绪队列，存放活跃线程，根据情况进行调度。
进程是由内核来管理和调度的，进程的切换只能发生在内核态。

3、线程切换
进程是资源拥有的基本单位，线程是调度的基本单位，当进程只有一个线程的时候，可以认为进程就等于线程。
线程上下文切换，前后线程同属一个进程，切换时虚拟内存资源不变，只需要保存线程私有数据，比如栈和寄存器。
同进程内的线程切换，要比多进程间的切换消耗更少的资源，所以开发中使用多线程替代多进程。

4、硬件中断
为了快速响应硬件，中断处理会打断进程的正常调度和执行，转而调用中断处理程序，响应设备事件。
打断其他进程时，就需要保存该进程状态，这样在设备事件结束后，就可以从原来的状态恢复。
比如鼠标、键盘等操作，CPU就必须中断正在执行的程序，去响应这些硬件的事件。

二、CPU指标监控

1、CPU平均负载

（1）什么是平均负载

单位时间内，系统处于可运行状态和不可中断状态的平均进程数，就是平均活跃进程数，和CPU使用率并没有直接关系。

可运行状态：正在使用CPU或者正在等待CPU的进程；用ps aux命令看到的，处于R状态（Running或Runnable）的进程。

不可中断状态：正处于内核态关键流程中的进程，且流程不可打断的；比如等待硬件设备的I/O响应，为了保证数据的一致性，进程向磁盘读写数据时，在得到磁盘响应前是不能被其他进程中断的。用ps aux命令看到的处于D（Uninterruptible Sleep）状态的进程。

[root@localhost ~]# ps aux
USER       PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND
root         1  0.0  0.1 193600  6672 ?        Ss   10:28   0:00 /usr/lib/systemd/systemd --switched-root --system --deserialize 21
root         2  0.0  0.0      0     0 ?        S    10:28   0:00 [kthreadd]
root         4  0.0  0.0      0     0 ?        S<   10:28   0:00 [kworker/0:0H]
root         5  0.0  0.0      0     0 ?        S    10:28   0:00 [kworker/u8:0]
root         6  0.0  0.0      0     0 ?        S    10:28   0:00 [ksoftirqd/0]
polkitd   1238  0.2 10.0 2066188 390164 ?      Ssl  10:28   0:30 mysqld
root      1410  0.0  0.1 154716  5436 ?        Ds   10:31   0:00 sshd: root@pts/0
root      1414  0.0  0.0 116328  2944 pts/0    Ss   10:31   0:00 -bash
root      1499  0.0  0.0      0     0 ?        S    11:34   0:00 [kworker/2:1]
root      1539  0.0  0.0      0     0 ?        S    13:01   0:00 [kworker/1:1]
root      1540  0.0  0.0      0     0 ?        S    13:40   0:00 [kworker/1:2]
postfix   1541  0.0  0.1  88940  4356 ?        S    13:48   0:00 pickup -l -t unix -u
root      1542  0.0  0.0 155476  1864 pts/0    R+   13:51   0:00 ps aux

（2）查看CPU平均负载

# 查看CPU平均负载
[root@localhost ~]# uptime
 13:59:32 up  3:31,  1 user,  load average: 0.00, 0.01, 0.05

# 查看逻辑CPU个数
[root@localhost ~]# cat /proc/cpuinfo | grep "processor" | wc -l
4

load average就是平均负载，三个数分别为1分钟、5分钟、15分钟的CPU平均负载。
比如说逻辑CPU个数为2，平均负载也是2，那么这两个CPU刚刚好利用，如果是4个CPU，则有50%空闲。

如果三个数值相差不大，说明负载很平稳。
如果1分钟的值远小于15分钟的值，说明系统近1分钟的负载在降低，过去15分钟内却有很大的负载。
如果1分钟的值远大于15分钟的值，说明最近1分钟的负载在增加，平均负载接近或超过了CPU的个数，意味着系统正在发生过载，持续的时间长则说明系统出现问题需要优化。

推荐CPU平均负载小于等于CPU核数即可。

2、CPU使用率

（1）查看CPU使用率

什么是CPU使用率：
CPU非空闲状态运行的时间占比，反映CPU的繁忙程度，和平均负载不一定完全一致。

生产系统的CPU总使用率不要超过70% ~ 80%。
比如单核CPU1秒内非空闲态运行时间为0.8秒，那么它的使用率就是80%。

top命令查看CPU的使用率：

按1会将所有CPU打开：

us（user）：CPU在用户态运行的时间百分比，通常用户态CPU高表示有应用你程序比较忙，CPU使用率高。
sy（sys）：CPU在内核态运行的时间百分比（不包括中断），内核态CPU越低越好，值高则CPU使用率高。
id（idle）：CPU处于空闲态的时间占比，CPU会执行一个特定的虚拟进程，名为System Idle Process，值高的话说明CPU比较空闲。
wa（iowait）：CPU在等待I/O操作完成所消耗的时间，该指标越低越好，否则表示I/O存在瓶颈，用iostat命令进一步分析。
hi（hardirq）：CPU处理硬中断所花费的时间，由外设硬件（键盘、传感器等）发出的中断信号，快速执行。
si（softirq）：CPU处理软中断所花费的时间，由软件程序（网络、定时调度等）发出的中断信号，延迟执行。
st（steal）：CPU被其他虚拟机占用的时间，仅出现在多虚拟机场景，指标过高的话，检查下宿主机或其他虚拟机是否正常。

（2）CPU使用率和平均负载的区别

CPU平均负载指单位时间内活跃进程数，包括正在使用CPU的进程，还包括等待CPU和等待I/O的进程。
是指可运行状态和不可中断状态的平均进程数。

CPU使用率是单位时间内CPU繁忙情况的统计。

CPU密集型进程，使用大量CPU运算会导致平均负载升高，这个场景这两者是一致的；
I/O密集型进程，等待I/O也会导致平均负载升高，但CPU使用率不一定很高。

CPU的效率要远高于磁盘，磁盘读写请求过多就会导致大量I/O等待；
进程在CPU上访问磁盘文件，CPU会向内核发起调用文件的请求，让内核去磁盘取文件，这个时候CPU会切换到其他进程或者空闲；
任务会转换为不可中断睡眠状态，当这种读写请求过多会导致不可中断睡眠状态的进程 过多，导致CPU负载高，利用率低的情况。

大量等待CPU的进程调度也会导致平均负载升高，此时CPU使用率也会比较高。

CPU密集型应用也叫计算密集型，表示该任务需要大量的运算，没有阻塞CPU一直全速运行。比如对视频进行高清解码、机器学习和深度学习模型的训练等。
I/O密集型应用，程序需要大量I/O操作，大部分的时间是CPU在等待I/O（磁盘/内存/网络）的读写操作，CPU利用率低，但是等待I/O也会导致平均负载升高。

3、监控工具

sysstat工具（包含mpstat、pidstat）、vmstat

现在基本都是容器部署+PaSS平台，监控工具很少用到了。

本文标签： 不了解开发人员基础CPU