背景

CPU作為一種資源，它的主要用途就是用來完成運(yùn)算任務(wù)。完成運(yùn)算任務(wù)的能力與CPU資源消耗之間存在著可量化的制約關(guān)系，這給我們提供了一種途徑，通過衡量CPU完成運(yùn)算任務(wù)的能力來衡量CPU資源的消耗情況。

測量的維度

我們首先了解一下 CPU 都提供了哪些資源，或者說，我們可以把 CPU資源分解為哪些可以用來進(jìn)一步進(jìn)行測量的維度。

上面的圖和文字摘自ETSI GS NFV-TST 008，呈現(xiàn)的是一個(gè)物理CPU注1能夠被測量的幾個(gè)資源維度和他們之間的對應(yīng)關(guān)系。

注1：如果有多顆物理的CPU，可以在核（Core）這一層之上，再引入一層 Socket（可以形象地理解為 CPU的插槽）。一顆物理的CPU 對應(yīng)一個(gè) Socket，代表一顆實(shí)實(shí)在在插在主板上的物理 CPU。當(dāng)然，也可以把多顆 CPU 的核放在一起來考慮。

最上面一層是以CPU的核作為資源衡量的對象。早先CPU只有一個(gè)核，一個(gè)核能同時(shí)處理一個(gè)線程。后來為了提高CPU 的性能，開始在一個(gè) CPU 里放置兩個(gè)核，四個(gè)核，這樣一個(gè) CPU 就可以同時(shí)處理2個(gè)線程/4個(gè)線程，而在開啟了 SMT/HT 的情況下，通過分配時(shí)間片，一個(gè) CPU 可以“同時(shí)”處理更多的線程。

比如下面這個(gè)系統(tǒng)信息顯示：CPU 數(shù)量是 1，其中有 6 個(gè)核，并且啟用了 HT。

第二層是針對一個(gè)核，從時(shí)間維度把處理時(shí)間劃分為一個(gè)個(gè)tick interval（其時(shí)間長度稱為 Jiffy），以 tick interval 作為衡量的對象。每個(gè) tick interval 有不同的上下文：例如系統(tǒng)態(tài)，用戶態(tài)，空閑態(tài)等。在測量周期內(nèi)，可以統(tǒng)計(jì)不同態(tài)所對應(yīng)的時(shí)間長度。

第三層，針對處于用戶態(tài)的tick intervals，可以再按照進(jìn)程注 2再進(jìn)行劃分。通過為不同的線程分配時(shí)間片，實(shí)現(xiàn)在（在一個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)）同時(shí)處理多線程。在這個(gè)層面上，以進(jìn)程使用的計(jì)算資源為對象進(jìn)行衡量。

注2：

·進(jìn)程： 進(jìn)程是資源分配的基本單位；

·線程：CPU調(diào)度和分配的基本單位。

·線程是進(jìn)程的一個(gè)實(shí)體；一個(gè)進(jìn)程包含一個(gè)或多個(gè)線程；同一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線程之間可以并發(fā)執(zhí)行。

一個(gè)程序/應(yīng)用至少有一個(gè)進(jìn)程，一個(gè)進(jìn)程至少有一個(gè)線程。

針對計(jì)算資源用量的測量

雖然計(jì)算資源可以劃分為 3 種維度（或者說計(jì)算資源的 Scope有 3 種），但是，對于 CPU 資源的使用情況的度量方法是相同的，簡單概括就是：從時(shí)間維度，度量一個(gè)測量周期內(nèi)計(jì)算資源的被占用情況。

具體來說，以ESTI GS NFV-TST 008為例，其中定義了兩種測量量：

處理器的用量：按照某種資源維度/計(jì)算資源scope的劃分，在一個(gè)測量周期內(nèi)，在一個(gè)或多個(gè)計(jì)算資源上，執(zhí)行特定上下文的指令所使用的總時(shí)間。

處理器的利用率：處理器的用量與測量周期（的時(shí)間長度）的比值。

評估CPU資源的消耗

那么，能不能直接用處理器的用量/利用率來衡量 CPU 資源的消耗情況呢？

我們先看一個(gè)簡單的例子：

兩個(gè)進(jìn)程分別使用主頻不同的CPU，并且在相同的測量周期內(nèi)，兩個(gè)進(jìn)程各自的處理器用量都是200ns。

雖然他們對于各自的計(jì)算資源占用時(shí)間（處理器的用量）相同，但是我們按照常識，一個(gè)直觀的感覺就是，由于CPU 的主頻不同，這兩個(gè)進(jìn)程對計(jì)算資源的消耗程度應(yīng)該是不一樣的。

如果要進(jìn)一步分析這種差異，需要了解幾個(gè)與CPU工作相關(guān)的周期：

1.CPU時(shí)鐘周期：是 CPU 進(jìn)行活動的最小時(shí)間單位，等于CPU 主頻的倒數(shù)。這是衡量 CPU 性能的重要指標(biāo)之一。

2.機(jī)器周期：是 CPU 執(zhí)行一項(xiàng)基本操作所需的時(shí)間。一個(gè)機(jī)器周期的長度為若干個(gè) CPU時(shí)鐘周期；

3.指令周期：是 CPU 執(zhí)行一條指令所需的時(shí)間。CPU 執(zhí)行一條指令，通常會將其分解為若干個(gè)階段，每個(gè)階段完成一項(xiàng)任務(wù)。這里的任務(wù)就是指前面所說的基本操作。所以，指令周期會包含一個(gè)或多個(gè)機(jī)器周期。

假設(shè)不同的主頻的CPU 執(zhí)行完全同樣的一條指令，由于時(shí)鐘周期不同，指令周期的長度就會不同：主頻高的 CPU 所需的時(shí)間更少。

反過來再看前面的例子，可以推斷出占用 CPU 時(shí)間長度相同的兩個(gè)進(jìn)程，使用高主頻的CPU的進(jìn)程其需要 CPU 完成的任務(wù)數(shù)量要多于另一個(gè)使用低主頻 CPU 的進(jìn)程。

類似的，一個(gè)多核的 CPU可以類比為多個(gè)單核的 CPU。如果可以使用的資源包含多個(gè)核，那么在處理的任務(wù)數(shù)量方面，也可以得到類似的結(jié)論。

當(dāng)需要衡量一個(gè)進(jìn)程對CPU資源的消耗時(shí)（例如，在利用資源利用率評價(jià)能效的計(jì)算過程中），評估某個(gè)進(jìn)程（可能是VNF/VM/VC）到底讓CPU做了多少事情，比單純地考慮其占用CPU的時(shí)間長度更加準(zhǔn)確。

因此，除了要使用時(shí)間維度的處理器用量/利用率之外，計(jì)算CPU 資源的消耗還要進(jìn)一步考慮CPU 的時(shí)鐘速度和核數(shù)：

CPU 資源的消耗 = 處理器的利用率*CPU的時(shí)鐘頻率*CPU的核數(shù)注

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