Solaris performance tuning

CPUの性能分析事例紹介

表１．ポイントと項目

No	ポイント	内容
①	シェルコマンドをCプログラム化する	一般に、シェルスクリプトを使用したプログラムは、CPUを多く消費することがあります。システム性能管理でよく用いられる、CPUロードアベレージを得るコマンドw(1)と、uptime(1)、および数式を評価するexpr(1)コマンドを例に、CPU消費がどのように変化するのかを紹介します。
②	ディスパッチャテーブルをチューニングする	他のSVR4システムで用いられていたTSディスパッチャテーブルをSolarisに適用して、CPU消費がどのように変化するのかを紹介します。
③	C++の処理をawk(1)コマンドで代替する	C++プログラムによるDBローダーバッチプログラムを、awk(1)コマンドに置き換えて、500時間かかった処理をわずか30分に短縮した事例を紹介します。

①シェルコマンドをCプログラム化する

本コンテンツの冒頭で述べましたが、システムパフォーマンスチューニングは、アプリケーションの作りを良くすることと、ハードウェア構成を見直すことがポイントです。この例では、シェルで使用されるコマンドをCでコーディングしたプログラムにすることによって、どのようにCPU消費が変化するのかを見てみます。例として、図1.1のようなシェルスクリプトを使用します。wコマンドの出力を、/dev/nullに10000回出力するサンプルシェルスクリプトです。

#!/bin/sh
N=1
COUNT=10000
while [ $N -le $COUNT ]
do
　　　　w > /dev/null
　　　　N=`expr $N + 1`
done

図１．１　サンプルシェルスクリプト

wコマンドは、システム稼働時間、最近の1分、5分、10分のCPUロードアベレージ、およびログオンしているユーザ情報を表示します。図1.2にwコマンドの出力例を示します。

# w <CR>
3:12pm up 1:39, 4 users, load average: 5.20, 2.37, 0.96
User 　　　tty　　　　login@ 　　idle　　　　JCPU PCPU　　 what
oracle 　　pts/2 　　1:41pm 　　　　　　　　3:09　　　　　　　 -csh
nuruki 　　pts/3 　　3:07pm　　　 1　　　　　　　　　　　　　　 w
nuruki 　　pts/4 　　3:10pm 　　　2　　　　　55　　　　　　　　1 　/bin/sh /export/nuruki/bin/cpu12
nuruki 　　pts/5 　　3:10pm 　　　2　　　　　16　　　　　　　　1 　/bin/sh /export/nuruki/bin/cpu13
#

図１．２　wコマンドの出力例

仮に、wコマンドの1行目に表示されるCPUロードアベレージだけを使用して、システム性能管理に応用する場合、ログオンユーザ情報は不要のため、sedやawkコマンドを用いてデータを加工することになります。このような場合、wコマンドの1行目のみを出力するuptimeコマンドを用いると、ログオン情報を捨てる必要は無くなります。図1.3はuptimeコマンドの出力例です。ログオン情報は表示されません。

# uptime <CR>
3:13pm up 1:40, 4 users, load average: 4.63, 2.54, 1.07
#

図１．３　uptimeコマンドの出力例

ここで、システム管理の目的が、CPUロードアベレージのみ必要とします。すると、uptimeコマンドの出力に含まれるシステム稼動時間等の情報は不要です。uptimeコマンドのCPUロードアベレージを表示する他の方法は無いのかを調査すると、ライブラリコールがこれに対応していることが分かりました。図1.4にCPUロードアベレージを表示するCプログラムを示します。

#include <sys/loadavg.h>
main ()
{
　　　　double loadavg[3];
　　　　getloadavg(loadavg,3);
　　　　printf("%.2f %.2f%.2f\n",loadavg[LOADAVG_1MIN],loadavg[LOADAVG_5MIN],loadavg[LOADAVG_15MIN]);
}

図１．４　CPUロードアベレージ表示プログラム

図1.1の、whileループの最後にあるexprコマンドは、数式を評価してその結果を標準出力に表示するコマンドです。本サンプルでは単に足し算に使用しているものです。これもCプログラムで書き直してみます。図1.5に足し算のCプログラムを示します。

#include <stdio.h>

main(int argc, char *argv[])
{
　　　　int i,o;
　　　　i=atoi(argv[1]);
　　　　o=i+atoi(argv[2]);
　　　　printf("%d\n",o);
}

図１．５　足し算プログラム

これらを組み合わせて、サンプルシェルスクリプトを実行した結果を図1.6に示します。時間測定はtimexコマンドを使用しました。

No	シェルスクリプト	変更内容	real	user	sys	効果
1	while [ $N -le $COUNT ] do 　　　　w > /dev/null 　　　　N=`expr $N + 1` done	図1.1のオリジナルサンプルシェルスクリプト。	3:18.81	46.66	2:24.77	-
2	while [ $N -le $COUNT ] do 　　　　w > /dev/null 　　　　N=`add $N 1` done	exprコマンドをaddコマンドに変更。	3:11.88	44.08	2:20.47	やや向上
3	while [ $N -le $COUNT ] do 　　　　uptime > /dev/null 　　　　N=`expr $N + 1` done	wコマンドをuptimeコマンドに変更。カウントはexprコマンドを使用。	1:33.19	31.77	56.08	約50%向上
4	while [ $N -le $COUNT ] do 　　　　average > /dev/null 　　　　N=`add $N 1` done	wコマンドをaverageコマンドに変更。カウントはaddコマンドを使用。	55.20	16.36	34.49	約72%向上

【備考】realはエラプス時間、userはユーザCPU時間、sysはシステムCPU時間で、表示は分：秒．10ミリ秒です(MM:SS.10msec)。

図１．６　Cプログラム化の効果

これらコマンドにどれだけのCPU時間が使用されたのかを、プロセスアカウント情報からピックアップしてみました。表1.1にコマンドのCPU使用時間を示します。テストシナリオ番号は41です。

表１．１　コマンドのCPU使用時間

command	elaps	callcount	totalcpu	syscpu	sysmsec	usercpu	usermsec
w	174.96	10000	168.54	131.77	13.1770	36.77	3.6770
uptime	101.20	10000	55.09	34.75	3.4750	20.34	2.0340
average	100.51	10000	23.77	16.28	1.6280	7.49	0.7490
expr	101.74	10087	28.24	16.80	1.6655	11.44	1.1341
add	201.29	20000	47.75	31.48	1.5740	16.27	0.8135

【備考】sysmsec、usermsecはミリ秒、elaps、totalcpu、syscpu、usercpuは秒単位です。

以上のように、特定目的のコマンドをCプログラム化することで、システムの高速化を図ることができます。ちりも積もれば山になるのです…

②ディスパッチャテーブルのチューニング

参考文献2では、プロセス優先度を固定するとともに、TS(タイムシェアリング)ディスパッチャテーブルを部分的に変更してフェンスオフ(囲い込み)する手法が述べられています。ここでは、全体的なディスパッチャテーブルの変更によって、プロセスのCPU使用がどのように変化するのかを紹介します。テーブルは、他のUNIX SVR4で採用されていたものです。各々の違いは、SolarisのTSディスパッチャテーブル、およびSVR4のTSディスパッチャテーブルをご覧ください。図2にCPUに特化した処理の振る舞いの違いを示します。

テーブル	CPU使用状況	コンテクストスイッチ
Solarisの TSテーブル	シナリオ番号：４１ os	シナリオ番号：４１ os
SVR4の TSテーブル	シナリオ番号：４５ os	シナリオ番号：４５ os

図２．ディスパッチャテーブルの違いによるCPU使用状況の変化

CPU使用状況に大きな違いは見えませんが、sarコマンド-wオプションで示されるpswch/s(コンテクストスイッチ)に違いが認められます。最初のCPUの山で、SolarisのTSディスパッチャテーブルの場合、約1500回/秒であったのが、SVR4のTSディスパッチャテーブルを使用すると、約1300回/秒に減っています。処理はwコマンドを10000回ループするもので、カウンタはadd(①のコマンドをCプログラム化するをご覧ください)プログラムを使用しています。次のCPUの山、および最後のCPUの山に対応するコンテクストスイッチに、大きな変化は見られません。SVR4のディスパッチャテーブルはts_quantumのティック数が大きい点が特徴で、プロセス(スレッド)に与えられるタイムクォンタムが長くなり、コンテクストスイッチの機会が減ります。この効果は、CPU使用時間の長いプロセスに現れることになります。表2はテストシナリオ番号41と45のプロセスアカウント情報をまとめたものです。CPU使用時間の長いwコマンドで効果が現れていることがわかります。

表２．ディスパッチャテーブルの違いによるCPU使用状況

テーブル

データ

Solarisの
TSテーブル

command	elaps	callcount	totalcpu	syscpu	sysmsec	usercpu	usermsec
w	174.96	10000	168.54	131.77	13.1770	36.77	3.6770
uptime	101.20	10000	55.09	34.75	3.4750	20.34	2.0340
average	100.51	10000	23.77	16.28	1.6280	7.49	0.7490
add	201.29	20000	47.75	31.48	1.5740	16.27	0.8135
expr	101.74	10087	28.24	16.80	1.6655	11.44	1.1341
cpu11.sh	211.36	1	5.41	4.11	4,110.0000	1.30	1,300.0000
cpu12.sh	96.72	1	5.98	4.66	4,660.0000	1.32	1,320.0000
cpu13.sh	57.14	1	5.46	4.24	4,240.0000	1.22	1,220.0000

SVR4の
TSテーブル
(1回目)

command	elaps	callcount	totalcpu	syscpu	sysmsec	usercpu	usermsec
w	156.86	10000	152.67	119.02	11.9020	33.65	3.3650
uptime	100.46	10000	54.21	34.45	3.4450	19.76	1.9760
average	100.25	10000	23.46	15.55	1.5550	7.91	0.7910
add	200.64	20000	46.98	31.11	1.5555	15.87	0.7935
expr	101.16	10095	28.07	16.64	1.6483	11.43	1.1322
cpu11.sh	193.20	1	5.31	3.82	3,820.0000	1.49	1,490.0000
cpu12.sh	95.52	1	6.01	4.52	4,520.0000	1.49	1,490.0000
cpu13.sh	56.80	1	5.59	4.29	4,290.0000	1.30	1,300.0000

SVR4の
TSテーブル
(2回目)

command	elaps	callcount	totalcpu	syscpu	sysmsec	usercpu	usermsec
w	168.86	10000	163.48	128.52	12.8520	34.96	3.4960
uptime	100.97	10000	54.38	34.61	3.4610	19.77	1.9770
average	100.49	10000	23.97	16.16	1.6160	7.81	0.7810
expr	101.31	10097	28.25	16.76	1.6599	11.49	1.1380
add	200.85	20000	48.94	33.12	1.6560	15.82	0.7910
cpu11.sh	208.00	1	5.55	3.96	3,960.0000	1.59	1,590.0000
cpu12.sh	96.56	1	6.08	4.64	4,640.0000	1.44	1,440.0000
cpu13.sh	57.40	1	5.76	4.52	4,520.0000	1.24	1,240.0000

現在のSolaris TSディスパッチャテーブルは、プライオリティ59番目(TSで最も優先度の高いところ)のts_maxwaitに、32000ティックが与えられており、待ちが充分に長いこと、およびts_quantumに小さいティック値がセットされていることから、コンテクスト切り替えを多くして、プロセス(スレッド)に公平にCPU時間を与えるように設定されています。

③C++の処理をawk(1)コマンドで代替する

T.B.D