CPU提供了哪些资源,如何评估CPU资源的消耗

背景

CPU作为一种资源，它的主要用途就是用来完成运算任务。完成运算任务的能力与CPU资源消耗之间存在着可量化的制约关系，这给我们提供了一种途径，通过衡量CPU完成运算任务的能力来衡量CPU资源的消耗情况。

测量的维度

我们首先了解一下 CPU 都提供了哪些资源，或者说，我们可以把 CPU资源分解为哪些可以用来进一步进行测量的维度。

上面的图和文字摘自ETSI GS NFV-TST 008，呈现的是一个物理CPU注1能够被测量的几个资源维度和他们之间的对应关系。

注1：如果有多颗物理的CPU，可以在核（Core）这一层之上，再引入一层 Socket（可以形象地理解为 CPU的插槽）。一颗物理的CPU 对应一个 Socket，代表一颗实实在在插在主板上的物理 CPU。当然，也可以把多颗 CPU 的核放在一起来考虑。

最上面一层是以CPU的核作为资源衡量的对象。早先CPU只有一个核，一个核能同时处理一个线程。后来为了提高CPU 的性能，开始在一个 CPU 里放置两个核，四个核，这样一个 CPU 就可以同时处理2个线程/4个线程，而在开启了 SMT/HT 的情况下，通过分配时间片，一个 CPU 可以“同时”处理更多的线程。

比如下面这个系统信息显示：CPU 数量是 1，其中有 6 个核，并且启用了 HT。

第二层是针对一个核，从时间维度把处理时间划分为一个个tick interval（其时间长度称为 Jiffy），以 tick interval 作为衡量的对象。每个 tick interval 有不同的上下文：例如系统态，用户态，空闲态等。在测量周期内，可以统计不同态所对应的时间长度。

第三层，针对处于用户态的tick intervals，可以再按照进程注 2再进行划分。通过为不同的线程分配时间片，实现在（在一个时间范围内）同时处理多线程。在这个层面上，以进程使用的计算资源为对象进行衡量。

注2：

·进程： 进程是资源分配的基本单位；

·线程：CPU调度和分配的基本单位。

·线程是进程的一个实体；一个进程包含一个或多个线程；同一个进程中的多个线程之间可以并发执行。

一个程序/应用至少有一个进程，一个进程至少有一个线程。

针对计算资源用量的测量

虽然计算资源可以划分为 3 种维度（或者说计算资源的 Scope有 3 种），但是，对于 CPU 资源的使用情况的度量方法是相同的，简单概括就是：从时间维度，度量一个测量周期内计算资源的被占用情况。

具体来说，以ESTI GS NFV-TST 008为例，其中定义了两种测量量：

处理器的用量：按照某种资源维度/计算资源scope的划分，在一个测量周期内，在一个或多个计算资源上，执行特定上下文的指令所使用的总时间。

处理器的利用率：处理器的用量与测量周期（的时间长度）的比值。

评估CPU资源的消耗

那么，能不能直接用处理器的用量/利用率来衡量 CPU 资源的消耗情况呢？

我们先看一个简单的例子：

两个进程分别使用主频不同的CPU，并且在相同的测量周期内，两个进程各自的处理器用量都是200ns。

虽然他们对于各自的计算资源占用时间（处理器的用量）相同，但是我们按照常识，一个直观的感觉就是，由于CPU 的主频不同，这两个进程对计算资源的消耗程度应该是不一样的。

如果要进一步分析这种差异，需要了解几个与CPU工作相关的周期：

1.CPU时钟周期：是 CPU 进行活动的最小时间单位，等于CPU 主频的倒数。这是衡量 CPU 性能的重要指标之一。

2.机器周期：是 CPU 执行一项基本操作所需的时间。一个机器周期的长度为若干个 CPU时钟周期；

3.指令周期：是 CPU 执行一条指令所需的时间。CPU 执行一条指令，通常会将其分解为若干个阶段，每个阶段完成一项任务。这里的任务就是指前面所说的基本操作。所以，指令周期会包含一个或多个机器周期。

假设不同的主频的CPU 执行完全同样的一条指令，由于时钟周期不同，指令周期的长度就会不同：主频高的 CPU 所需的时间更少。

反过来再看前面的例子，可以推断出占用 CPU 时间长度相同的两个进程，使用高主频的CPU的进程其需要 CPU 完成的任务数量要多于另一个使用低主频 CPU 的进程。

类似的，一个多核的 CPU可以类比为多个单核的 CPU。如果可以使用的资源包含多个核，那么在处理的任务数量方面，也可以得到类似的结论。

当需要衡量一个进程对CPU资源的消耗时（例如，在利用资源利用率评价能效的计算过程中），评估某个进程（可能是VNF/VM/VC）到底让CPU做了多少事情，比单纯地考虑其占用CPU的时间长度更加准确。

因此，除了要使用时间维度的处理器用量/利用率之外，计算CPU 资源的消耗还要进一步考虑CPU 的时钟速度和核数：

CPU 资源的消耗 = 处理器的利用率*CPU的时钟频率*CPU的核数注

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