Linux 下如何提高 CPU 利用率？

在 Linux 系统中，CPU 利用率是衡量系统性能的重要指标之一。优化 CPU 利用率不仅可以提升系统运行效率，还能减少资源浪费。本文将介绍一些实用的方法，帮助你在 Linux 环境下更好地利用 CPU 资源。

1. 使用多线程编程

多线程编程是提高 CPU 利用率的有效手段。通过将任务分解为多个线程，可以充分利用多核 CPU 的并行处理能力。例如，在编写程序时，可以使用 POSIX 线程库（pthread）或 OpenMP 来实现多线程。

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

void* thread_function(void* arg) {
    printf("Thread is running\n");
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread_id;
    pthread_create(&thread_id, NULL, thread_function, NULL);
    pthread_join(thread_id, NULL);
    return 0;
}

2. 优化进程调度

Linux 提供了多种进程调度策略，如实时调度策略（SCHED_FIFO、SCHED_RR）和普通调度策略（SCHED_OTHER）。通过调整进程的调度策略和优先级，可以确保关键任务获得更多的 CPU 时间。

# 设置进程调度策略为 SCHED_FIFO，优先级为 99
chrt -f 99 ./your_program

3. 使用 CPU 亲和性

CPU 亲和性（CPU Affinity）允许你将进程或线程绑定到特定的 CPU 核心上。这样可以减少上下文切换的开销，提高 CPU 缓存的命中率，从而提升性能。

# 将进程绑定到 CPU 核心 0 和 1
taskset -c 0,1 ./your_program

4. 优化 I/O 操作

I/O 操作往往是 CPU 利用率低下的原因之一。通过使用异步 I/O（AIO）或非阻塞 I/O，可以减少 CPU 在等待 I/O 完成时的空闲时间。

#include <aio.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    struct aiocb aio;
    char buffer[1024];
    int fd = open("file.txt", O_RDONLY);

    aio.aio_fildes = fd;
    aio.aio_buf = buffer;
    aio.aio_nbytes = sizeof(buffer);
    aio.aio_offset = 0;

    aio_read(&aio);
    while (aio_error(&aio) == EINPROGRESS) {
        // 等待 I/O 完成
    }
    close(fd);
    return 0;
}

5. 使用性能分析工具

Linux 提供了多种性能分析工具，如 perf、strace 和 gprof。通过这些工具，你可以找出程序中的性能瓶颈，并进行针对性的优化。

# 使用 perf 分析程序性能
perf record ./your_program
perf report

6. 调整内核参数

Linux 内核提供了许多可调参数，如 sched_min_granularity_ns 和 sched_wakeup_granularity_ns。通过调整这些参数，可以优化进程调度行为，提高 CPU 利用率。

# 查看当前调度参数
sysctl kernel.sched_min_granularity_ns

# 设置调度参数
sysctl -w kernel.sched_min_granularity_ns=1000000

7. 使用并行计算框架

对于计算密集型任务，可以使用并行计算框架如 MPI（Message Passing Interface）或 OpenCL。这些框架可以充分利用多核 CPU 和 GPU 的计算能力，显著提升性能。

#include <mpi.h>
#include <stdio.h>

int main(int argc, char** argv) {
    MPI_Init(&argc, &argv);

    int rank, size;
    MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rank);
    MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &size);

    printf("Hello from process %d of %d\n", rank, size);

    MPI_Finalize();
    return 0;
}

8. 避免不必要的上下文切换

频繁的上下文切换会消耗大量的 CPU 资源。通过减少线程或进程的数量，或者使用更高效的同步机制（如无锁数据结构），可以降低上下文切换的频率。

#include <atomic>
#include <thread>
#include <vector>

std::atomic<int> counter(0);

void increment() {
    for (int i = 0; i < 1000000; ++i) {
        counter++;
    }
}

int main() {
    std::vector<std::thread> threads;
    for (int i = 0; i < 4; ++i) {
        threads.emplace_back(increment);
    }
    for (auto& t : threads) {
        t.join();
    }
    printf("Counter: %d\n", counter.load());
    return 0;
}

9. 使用高效的算法和数据结构

选择合适的算法和数据结构可以显著提高程序的执行效率。例如，使用哈希表代替线性搜索，或者使用快速排序代替冒泡排序，都可以减少 CPU 的计算负担。

#include <algorithm>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<int> data = {5, 3, 1, 4, 2};
    std::sort(data.begin(), data.end());
    for (int i : data) {
        printf("%d ", i);
    }
    return 0;
}

10. 监控和调整系统负载

通过监控系统负载，可以及时发现 CPU 利用率低下的原因。使用工具如 top、htop 或 vmstat，可以实时查看系统资源的使用情况，并进行相应的调整。

# 使用 top 查看系统资源使用情况
top

通过以上方法，你可以在 Linux 环境下有效提高 CPU 利用率，从而提升系统性能和响应速度。希望这些技巧能帮助你在实际工作中更好地优化和管理系统资源。