Linux性能优化从入门到实战:07 CPU篇:CPU性能优化方法
性能优化方法论
动手优化性能之前,需要明确以下三个问题:
(1)如何评估性能优化的效果? 确定性能的量化指标、测试优化前的性能指标、测试优化后的性能指标。
量化指标的选择。至少要从应用程序和系统资源这两个维度,分别选择不同的指标:1)应用程序的维度,我们可以用吞吐量和请求延迟来评估应用程序的性能。2)系统资源的维度,我们可以用 CPU 使用率来评估系统的 CPU 使用情况。
行性能测试注意点:1)避免性能测试工具干扰应用程序的性能;2)避免外部环境的变化影响性能指标的评估。
(2)多个性能问题同时存在,选择优化哪些? 二八原则,并不是所有的性能问题都值得优化,找出最重要的、可以最大程度提升性能的问题。
优先优化系统资源使用问题、性能指标变化幅度最大的问题。
(3)多种优化方法,选择哪种? 选能最大提升性能的方法,但性能优化通常会带来复杂度的提升,降低程序的可维护性,还可能引发其他指标的异常。
CPU优化方法
(1)应用程序 优化
最好方法是,排除所有不必要的工作,只保留最核心的逻辑。比如减少循环的层次、减少递归、减少动态内存分配等等。
编译器优化:gcc 就提供了优化选项 -O2。
算法优化:使用复杂度更低的算法,可以显著加快处理速度。比如,在数据比较大的情况下,可以用 O(nlogn) 的排序算法(如快排、归并排序等),代替 O(n^2) 的排序算法(如冒泡、插入排序等)。
异步处理:使用异步处理,可以避免程序因为等待某个资源而一直阻塞,从而提升程序的并发处理能力。比如,把轮询替换为事件通知,就可以避免轮询耗费 CPU 的问题。
多线程代替多进程:前面讲过,相对于进程的上下文切换,线程的上下文切换并不切换进程地址空间,因此可以降低上下文切换的成本。
善用缓存:经常访问的数据或者计算过程中的步骤,可以放到内存中缓存起来,这样在下次用时就能直接从内存中获取,加快程序的处理速度。
(2)系统 优化
一方面要充分利用 CPU 缓存的本地性,加速缓存访问;另一方面,就是要控制进程的 CPU 使用情况,减少进程间的相互影响。
CPU 绑定:把进程绑定到一个或者多个 CPU 上,可以提高 CPU 缓存的命中率,减少跨 CPU 调度带来的上下文切换问题。
CPU 独占:跟 CPU 绑定类似,进一步将 CPU 分组,并通过 CPU 亲和性机制为其分配进程。这样,这些 CPU 就由指定的进程独占,换句话说,不允许其他进程再来使用这些 CPU。
优先级调整:使用 nice 调整进程的优先级,正值调低优先级,负值调高优先级。优先级的数值含义前面我们提到过,忘了的话及时复习一下。在这里,适当降低非核心应用的优先级,增高核心应用的优先级,可以确保核心应用得到优先处理。
为进程设置资源限制:使用 Linux cgroups 来设置进程的 CPU 使用上限,可以防止由于某个应用自身的问题,而耗尽系统资源。
NUMA(Non-Uniform Memory Access)优化:支持 NUMA 的处理器会被划分为多个 node,每个 node 都有自己的本地内存空间。NUMA 优化,其实就是让 CPU 尽可能只访问本地内存。
中断负载均衡:无论是软中断还是硬中断,它们的中断处理程序都可能会耗费大量的 CPU。开启 irqbalance 服务或者配置 smp_affinity,就可以把中断处理过程自动负载均衡到多个 CPU 上。
千万避免过早优化
一方面,优化会带来复杂性的提升,降低可维护性;另一方面,需求不是一成不变的。所以,性能优化最好是逐步完善,动态进行,不追求一步到位,而要首先保证能满足当前的性能要求。当发现性能不满足要求或者出现性能瓶颈时,再根据性能评估的结果,选择最重要的性能问题进行优化。
DPDK 是一种优化网络处理速度的方法,它通过绕开内核网络协议栈的方法,提升网络的处理能力。它有一个很典型的要求,就是要独占一个 CPU 以及一定数量的内存大页,并且总是以 100% 的 CPU 使用率运行。
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