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導讀：本文翻譯自 Brendan Gregg 去年的一篇博客文章 “CPU Utilization is Wrong”，從標題就能想到這篇文章將會引起爭議。文章一上來就說，我們“人人皆用、處處使用，每個性能監(jiān)控工具里都在用”的 top 命令里的 “%CPU” 指標，是不對的，其并非用于衡量 CPU 的繁忙程度的正確指標，作者譴責了一下眾人(或許也包括你我)的這一行為是具有很大的誤導性(deeply misleading)的，而且這種情況還在連年惡化。對于這么大一頂帽子，讓我們暫且按下躁動的心，聽聽作者是怎么深入闡釋他的觀點的。

1. 引言可能你認為的 90% CPU 利用率意味著這樣的情形：

而實際卻可能是這樣的：

CPU 并非 90% 的時間都在忙著，很大一部分時間在等待，或者說“停頓(Stalled)”了。這種情況表示處理器流水線停頓，一般由資源競爭、數(shù)據(jù)依賴等原因造成。多數(shù)情況下表現(xiàn)為等待訪存操作，其中又以讀操作為主。在停頓周期內(nèi)，不能執(zhí)行指令，這意味著你的程序不往前走。
值得注意的是，圖中 “Stalled” 狀態(tài)所占的比例是作者依據(jù)生產(chǎn)環(huán)境中的典型場景計算而來，具有普遍現(xiàn)實意義。因此，大多時候 CPU 處于停頓狀態(tài) ，而你卻不知道，因為 CPU 利用率這個指標沒有告訴你真相。通過進一步分析 CPU 停頓的原因，可以指導代碼優(yōu)化，提高執(zhí)行效率，這是我們深入理解CPU微架構(gòu)的動力之一。
2. CPU 利用率的真實含義是什么？我們通常所說的CPU利用率是指 “non-idle time”：即CPU不執(zhí)行 idle thread 的時間。操作系統(tǒng)內(nèi)核會在上下文切換時記錄CPU的運行時間。假設(shè)一個 non-idle thread 開始運行， 100ms 后結(jié)束，內(nèi)核會認為這段時間內(nèi) CPU 利用率為 100% 。這種度量方式源于分時復用系統(tǒng) 。早在阿波羅登月艙的導航計算機中，idle thread 當時被叫做 “DUMMY JOB”，工程師通過比對運行 “DUMMY JOB” 和 “實際任務” 的時間來衡量導航系統(tǒng)的利用率。那么這個所謂“利用率”的問題在哪兒呢？當今時代，CPU 執(zhí)行速度遠遠大于內(nèi)存訪問速度，等待訪存的時間成為占用 CPU 時間的主要部分。當你在 top 中看到很高的 “%CPU”，你可能認為處理器是瓶頸，但實際上卻是內(nèi)存。在過去很長一段時間內(nèi)，CPU 頻率增長的速度大于 DRAM 訪存延時降低的速度（CPU DRAM gap），直到2005年前后，處理器廠商們才開始放棄“頻率路線”，轉(zhuǎn)向多核、超線程技術(shù) ，再加上多處理器架構(gòu)，這些都導致訪存需求急劇上升。盡管廠商通過增大 cache 容量、優(yōu)化 cache 策略、提升總線帶寬來試圖緩解訪存瓶頸，但我們的程序仍深受 CPU stall 困擾。
3. 如何真正辨別 CPU 在做些什么？在 PMC(Performance Monitoring Counters) 的幫助下，我們能看到更多的 CPU 運行狀態(tài)信息。下圖中，perf 采集了10秒內(nèi)全部 CPU 的運行狀態(tài) 。

這里我們重點關(guān)注的核心度量指標是 IPC(instructions per cycle) ，它表示平均每個 CPU cycle 執(zhí)行的指令數(shù)量，很顯然該數(shù)值越大性能越好。上圖中IPC 為 0.78 ，看起來還不錯，是不是 78% busy 呢？現(xiàn)代處理器一般有多條流水線，運行 perf 的那臺機器，IPC 的理論值可達到 4.0 。