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性能优化｜从ping延时看CPU电源管理

2023年06月15日

前言

性能优化大师Brendan Gregg曾说：“性能问题可能来源于任何地方，包括系统中因你一无所知而不曾检查的地方”，CPU电源管理就是在性能优化过程中经常被忽略的地方。在这篇文章中，我们从一个简单的ping延迟出发，以小见大，一起了解CPU电源管理。

之前在项目中观测到一个奇怪的现象（如下图所示），在测试网络延迟时，从服务器A ping服务器B延时只有0.04ms左右，但是从服务器B ping服务器A延迟确有0.12ms左右，结果相差三倍多！而两台服务器是直连的，中间也没有经过路由器或交换机，那么延时差到底是怎么产生的呢？

在分析此问题时，我们将ping时延做一个简单的拆分，它包括了在链路中的传播时延和在服务器端的处理时延。我们首先判断下网络状况是否良好，用tcpdump分别在收发两端抓包，没有发现丢包、乱序等问题，速率也没有问题，网络状态良好。既然网络传输没有问题，那就重点分析下处理时延。

再来分析下抓到的ping报文，主要分析在两台服务器收到ICMP报文后发送回复报文的时间差，发现服务器A的回复时间更长。再使用ftrace分析代码层的执行时间，图1是服务器A的处理时间，图2是服务器B的处理时间，对比可见，服务器A的ICMP reply执行时间比服务器B要长。那什么会影响函数执行的时间呢？是CPU。

图1

图2

在观察服务器B ping服务器A的输出（图3）时发现，延时的变化范围很大，有时延时也很短。

图3

如图4所示，CPU的频率也是变化的，那么CPU频率是怎么变的又是因何而变，跟延迟的变化有关系吗？我们能否控制CPU频率的这种变化呢？要了解这些我们首先要知道CPU的变频和电源管理方面的知识。

图4

CPU的变频和电源管理

OS会根据工作负载选择工作频率和电压，当负载较低时（例如此问题的ping报文收发），会对CPU进行降压降频以节省用电。在大部分场景下，CPU并不需要7X24小时满负荷工作，为了省电和延长CPU的使用寿命就有了各种变频省电技术。其中常见的有以下几种：

■C states (Power states)

在空闲状态时，通过关闭不同子系统（时钟或者缓存等）达到不同省电状态。关闭的组件越多，耗电量越低，但恢复工作就越慢。
常用的有以下几个状态
C0: 工作状态，没有组件关闭。
C1: 使用HLT或MWAIT指令进入该状态，C1状态会关闭内部时钟，但是可以立刻回到C0状态。
C3: 使用MWAIT指令进入该状态，会将L1和L2缓存刷到LLC/L3缓存，并进一步关闭了PLL，但仍处于供电状态。（C1，C3状态下，Cache一致性是得到保证的，从而恢复现场速度也很快）
C6: 使用MWAIT指令进入该状态，内部设备的上下文信息（Context）被封存和冻结，Catch被清空和关闭，电压也被降为0。恢复现场会更耗时。
（idle_intel 驱动可能在Cstates关闭时，仍使core进入省电状态。）

图5

■P states (Performance states)

根据处理器负载自动调节电压和频率，以减少耗电量和发热量，大大减少了CPU在低工作量的能耗。（只有在C-states状态为C0时才会有效，因为必须为其供电才能执行指令）

OS控制的P-states
OS设定特定的P-states，即选择工作频率，处理器再根据频率计算电压。
硬件控制的P-states
OS只给出负载，由硬件选择对应的P-states，并设置电压和频率。
Intel_pstate驱动
此驱动程序通过内置调频器，实现面向Intel Core（SandyBridge 和更新的型号）处理器的调频驱动。可以通过cpupower命令设置最大最小频率。

■monitor/mwait

在core空闲或者等待写入时，使当前core进入C1等C-states的特殊指令。

■Turbo

在个别核非常繁忙同时其他核又因为空闲进入C-States时，内置的电源管理模块将其电能输送给忙碌的core，升高其电压和频率，使其获得比标频更高的频率。

BIOS选项

以DELL服务器为例，在System Profile Setting中可以找到有关电源管理的选项。disable C-States、Monitor/Wait相关选项，可以使CPU始终保持高频率工作。

图6

使用工具查看CPU运行等级

■corefreq-cli工具

可以查看各种系统状态和CPU状态，包括电压，频率，C-states，Turbo，温度等。

图7

问题解决

再回到刚开始的问题，通过corefreq-cli工具看到两台服务器的CPU确实工作在不同的C-States等级，如图8所示，服务器B在C1而服务器A在C6。

图8

调整服务器A的bios选项，在关闭了C-States、Monitor/Mwait后，两台服务的CPU都处在C1状态（图9），这时再分别在两台服务器执行ping操作，延时终于不相上下了！

图9

总结

现代CPU电源管理功能十分强大，我们可以选择经济环保的方式让CPU根据负载选择工作频率和电压，在追求极致性能时也可以让CPU不管任务量大小都满负荷工作，在了解以上内容后，我们可以根据实际使用需求进行选择。

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CPU的变频和电源管理

BIOS选项

使用工具查看CPU运行等级

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