Вы неверно измеряете загрузку процессора

в 13:29, , рубрики: IPC, Анализ и проектирование систем, Блог компании Инфопульс Украина, высокая производительность, Разработка под Linux, системное программирование

Та метрика, которую мы называем «загрузкой процессора» на самом деле многими людьми понимается не совсем верно. Что же такое «загрузка процессора»? Это то, насколько занят наш процессор? Нет, это не так. Да-да, я говорю о той самой классической загрузке CPU, которую показывают все утилиты анализа производительности — от диспетчера задач Windows до команды top в Linux.

Вот что может означать «процессор загружен сейчас на 90%»? Возможно, вы думаете, что это выглядит как-то так:

Вы неверно измеряете загрузку процессора - 1

А на самом деле это выглядит вот так:

Вы неверно измеряете загрузку процессора - 2

«Работа вхолостую» означает, что процессор способен выполнить некоторые инструкции, но не делает этого, поскольку ожидает чего-то — например, ввода-вывода данных из оперативной памяти. Процентное соотношение реальной и «холостой» работы на рисунке выше — это то, что я вижу изо дня в день в работе реальных приложений на реальных серверах. Есть существенная вероятность, что и ваша программа проводит своё время примерно так же, а вы об этом и не знаете.

Что это означает для вас? Понимание того, какое количество времени процессор действительно выполняет некоторые операции, а какое — лишь ожидает данные, иногда даёт возможность изменить ваш код, уменьшив обмен данных с оперативной памятью. Это особенно актуально в нынешних реалиях облачных платформ, где политики автоматического масштабирования иногда напрямую завязаны на загрузку CPU, а значит каждый лишний такт «холостой» работы стоит нам вполне реальных денег.

Что же такое загрузка процессора на самом деле?

Та метрика, которую мы называем «загрузкой процессора» на самом деле означает нечто вроде «время не-простоя»: то есть это то количество времени, которое процессор провёл во всех потоках кроме специального «Idle»-потока. Ядро вашей операционной системы (какой бы она ни была) измеряет это количество времени при переключениях контекста между потоками исполнения. Если произошло переключение потока выполнения команд на не-idle поток, который проработал 100 милисекунд, то ядро операционки считает это время, как время, потраченное CPU на выполнение реальной работы в данном потоке.

Эта метрика впервые появилась в таком виде одновременно с появлением операционных систем с разделением времени. Руководство программиста для компьютера в лунном модуле корабля «Апполон» (передовая на тот момент система с разделением времени) называла свой idle-поток специальным именем «DUMMY JOB» и инженеры сравнивали количество команд, выполняемых этим потоком с количеством команд, выполняемых рабочими потоками — это давало им понимание загрузки процессора.

Так что в этом подходе плохого?

Сегодня процессоры стали значительно быстрее, чем оперативная память, а ожидание данных стало занимать львиную долю того времени, которое мы привыкли называть «временем работы CPU». Когда вы видите высокий процент использования CPU в выводе команды top, то можете решить, что узким местом является процессор (железка на материнской плате под радиатором и кулером), хотя на самом деле это будет совсем другое устройство — банки оперативной памяти.

Ситуация даже ухудшается со временем. Долгое время производителям процессоров удавалось наращивать скорость их ядер быстрее, чем производители памяти увеличивали скорость доступа к ней и уменьшали задержки. Где-то в 2005-ом году на рынке появились процессоры с частотой 3 Гц и производители сконцентрировались на увеличении количества ядер, гипертрейдинге, много-сокетных конфигурациях — и всё это поставило ещё большие требования по скорости обмена данных! Производители процессоров попробовали как-то решить проблему увеличением размера процессорных кэшей, более быстрыми шинами и т.д. Это, конечно, немного помогло, но не переломило ситуацию кардинально. Мы уже ждём память большую часть времени «загрузки процессора» и ситуация лишь ухудшается.

Как же понять, чем на самом деле занят процессор

Используя аппаратные счетчики производительности. В Linux они могут быть прочитаны с помощью perf и других аналогичных инструментов. Вот, например, замер производительности всей системы в течении 10 секунд:

# perf stat -a -- sleep 10

 Performance counter stats for 'system wide':

     641398.723351      task-clock (msec)         #   64.116 CPUs utilized            (100.00%)
           379,651      context-switches          #    0.592 K/sec                    (100.00%)
            51,546      cpu-migrations            #    0.080 K/sec                    (100.00%)
        13,423,039      page-faults               #    0.021 M/sec                  
 1,433,972,173,374      cycles                    #    2.236 GHz                      (75.02%)
   <not supported>      stalled-cycles-frontend  
   <not supported>      stalled-cycles-backend   
 1,118,336,816,068      instructions              #    0.78  insns per cycle          (75.01%)
   249,644,142,804      branches                  #  389.218 M/sec                    (75.01%)
     7,791,449,769      branch-misses             #    3.12% of all branches          (75.01%)

      10.003794539 seconds time elapsed

Ключевая метрика здесь это "количество инструкций за такт" (insns per cycle: IPC), которое показывает, сколько инструкций в среднем выполнил процессор на каждый свой такт. Упрощённо: чем больше это число, тем лучше. В примере выше это число равно 0.78, что, на первый взгляд кажется не таким уж плохим результатом (78% времени выполнялась полезная работа?). Но нет, на этом процессоре максимально возможным значением IPC могло бы быть 4.0 (это связано со способом получения и выполнения инструкций современными процессорами). То есть наше значение IPC (равное 0.78) составляет всего 19.5% от максимально возможной скорости выполнения инструкций. А в процессорах Intel начиная со Skylake максимальное значение IPC уже равно 5.0.

В облаках

Когда вы работаете в виртуальном окружении, то можете и не иметь доступа к реальным счетчикам производительности (это зависит от используемого гипервизора и его настроек). Вот статья о том, как это работает в Amazon EC2.

Интерпретация данных и реагирование

Если у вас IPC < 1.0, то я вас поздравляю, ваше приложение простаивает в ожидании данных от оперативной памяти. Вашей стратегией оптимизации производительности в данном случае будет не уменьшение количества инструкций в коде, а уменьшение количества обращений к оперативной памяти, более активное использование кэшей, особенно на NUMA-системах. С аппаратной точки зрения (если вы можете на это влиять) будет разумным выбрать процессоры с большими размерами кэшей, более быструю память и шину.

Если у вас IPC > 1.0, то ваше приложение страдает не столько от ожидания данных, сколько от чрезмерного количества выполняемых инструкций. Ищите более эффективные алгоритмы, не делайте ненужной работы, кэшируйте результаты повторяемых операций. Применение инструментов построения и анализа Flame Graphs может быть отличным способом разобраться в ситуации. С аппаратной точки зрения вы можете использовать более быстрые процессоры и увеличить количество ядер.

Как вы видите, я провёл черту по значению IPC равному 1.0. Откуда я взял это число? Я рассчитал его для своей платформы, а вы, если не доверяете моей оценке, можете рассчитать его для своей. Для этого напишите два приложения: одно должно загружать процессор на 100% потоком выполнения инструкций (без активного обращения к большим блокам оперативной памяти), а второе должно наоборот активно манипулировать данным в ОЗУ, избегая тяжелых вычислений. Замерьте IPC для каждого из них и возьмите среднее. Это и будет примерная переломная точка для вашей архитектуры.

Что инструменты мониторинга производительности на самом деле должны показывать

Я считаю, что каждый инструмент мониторинга производительности должен показывать значение IPC рядом с загрузкой процессора. Это сделано, например, в инструменте tiptop под Linux:

tiptop -                  [root]
Tasks:  96 total,   3 displayed                               screen  0: default

  PID [ %CPU] %SYS    P   Mcycle   Minstr   IPC  %MISS  %BMIS  %BUS COMMAND
 3897   35.3  28.5    4   274.06   178.23  0.65   0.06   0.00   0.0 java
 1319+   5.5   2.6    6    87.32   125.55  1.44   0.34   0.26   0.0 nm-applet
  900    0.9   0.0    6    25.91    55.55  2.14   0.12   0.21   0.0 dbus-daemo

Другие причины неверной трактовки термина «загрузка процессора»

Процессор может выполнять свою работу медленнее не только из-за потерь времени на ожидание данных из ОЗУ. Другими факторами могут быть:

  • Перепады температуры процессора
  • Вариирование частоты процессора технологией Turboboost
  • Вариирование частоты процессора ядром ОС
  • Проблема усреднённых расчётов: 80% средней загрузки на периоде измерений в минуту могут не быть катастрофой, но могут и прятать в себе скачки до 100%
  • Спин-локи: процессор загружен выполнением инструкций и имеет высокий IPC, но на самом деле приложение стоит в спин-локах и не выполняет реальной работы

Выводы

Загрузка процессора стала сегодня существенно недопонимаемой метрикой: она включает в себя время ожидания данных от ОЗУ, что может занимать даже больше времени, чем выполнение реальных команд. Вы можете определить реальную загрузку процессора с помощью дополнительных метрик, таких, как количество инструкций на такт (IPC). Значения меньшие, чем 1.0 говорят о том, что вы упираетесь в скорость обмена данными с памятью, а большие — свидетельствуют о большой загруженности процессора потоком инструкций. Инструменты замера производительности должны быть улучшены для отображения IPC (или чего-то аналогичного) непосредственно рядом с загрузкой процессора, что даст пользователю полное понимание ситуации. Имея все эти данные, разработчики могут предпринять некоторые меры по оптимизации своего кода именно в тех аспектах, где это принесёт наибольшую пользу.

Автор: Инфопульс Украина

Источник

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля