（武漢數(shù)字工程研究所 武漢 430074）

1 引言

近年來(lái)，虛擬機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。利用虛擬化技術(shù)［1～2］，單CPU可以模擬多CPU并行，一個(gè)平臺(tái)可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)，并且應(yīng)用程序可以在相互獨(dú)立的空間內(nèi)運(yùn)行而互不影響，從而降低了IT 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)總成本，顯著提高計(jì)算機(jī)的工作效率［3］。在不斷增加的虛擬化技術(shù)列表［4］中，屬于虛擬硬件模式的Xen［5～6］成為最引人注目的技術(shù)之一。

目前，Xen虛擬機(jī)性能監(jiān)視工具主要包括Xentop，Xenmon［7］和Xenman。其中，Xentop清晰明了地顯示出當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。但如果Guest Domain有I／O 操作時(shí)，Xentop不能正確計(jì)算Domain0的CPU 利用率，且沒(méi)有提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的記錄功能。Xenmon統(tǒng)計(jì)的CPU 信息不夠全面，不包含虛擬CPU 的性能參數(shù)。Xenman：是一款Xen Hypervisor的管理工具，其CPU 性能監(jiān)視能力有限，不能統(tǒng)計(jì)虛擬CPU 的利用率及時(shí)間片等基本數(shù)據(jù)。

針對(duì)上述監(jiān)視工具的不足，本文分析了CPU 利用率評(píng)估算法，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了CPU 性能監(jiān)視系統(tǒng)XCPUMon（Xen CPU Monitor），能準(zhǔn)確、全面的獲取各個(gè)Domain的CPU信息。

2 CPU 性能監(jiān)視系統(tǒng)概述

Xen上可以運(yùn)行多個(gè)Domain，其中Domain0 是隨同Xen一起啟動(dòng)的特權(quán)Domain，擁有設(shè)備驅(qū)動(dòng)并負(fù)責(zé)管理Domain1～N（統(tǒng)稱(chēng)DomainU）的運(yùn)行。另外，Xen 將物理CPU（Physical CPU，PCPU）虛擬成了多個(gè)虛擬CPU（Virtual CPU，VCPU），并通過(guò)Domain0的管理將這些VCPU分配給了DomainU 進(jìn)行使用。因此，XCPUMon 工作在Domain0上，從Domain0 上提取各個(gè)Domain（包括Domain0和DomainU）上各種CPU（包括PCPU 和VCPU）的使用信息，如圖1所示。

圖1 XCPUMon結(jié)構(gòu)圖

CPU 性能監(jiān)視系統(tǒng)（XCPUMon）包括信息采集模塊、信息解析模塊、實(shí)時(shí)信息模塊、信息記錄模塊和用戶(hù)接口模塊。

1）用戶(hù)接口模塊：系統(tǒng)通過(guò)用戶(hù)接口模塊獲取控制信息，包括采樣頻率、采樣信息種類(lèi)、何時(shí)開(kāi)始對(duì)實(shí)時(shí)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)等，將這些信息傳遞給實(shí)時(shí)信息模塊和信息記錄模塊，同時(shí)顯示實(shí)時(shí)信息模塊評(píng)估計(jì)算出的結(jié)果信息。

2）信息采集模塊在Xen上監(jiān)測(cè)各種事件，采集所需要的CPU 相關(guān)信息，形成原始數(shù)據(jù)，傳遞給信息解析模塊。

3）信息解析模塊從原始數(shù)據(jù)中解析出各個(gè)Domain的狀態(tài)、各個(gè)Domain上各種CPU 的時(shí)間片使用情況和I／O操作時(shí)內(nèi)存頁(yè)交換的次數(shù)等信息，傳遞給實(shí)時(shí)信息模塊。

4）實(shí)時(shí)信息模塊根據(jù)用戶(hù)接口模塊給出的控制信息，實(shí)時(shí)地將信息解析模塊解析出來(lái)的信息，轉(zhuǎn)化為用戶(hù)所需要的信息，包括：1）當(dāng)前各個(gè)Domain的狀態(tài)；2）當(dāng)前各個(gè)Domain的各個(gè)PCPU 的使用時(shí)間、利用率、阻塞時(shí)間等信息；3）當(dāng)前各個(gè)Domain的各個(gè)VCPU 的使用時(shí)間、利用率等信息；4）從開(kāi)機(jī)到現(xiàn)在各個(gè)Domain占有的CPU 時(shí)間片總數(shù)。并將這些信息傳遞給用戶(hù)接口模塊和信息記錄模塊。

5）信息記錄模塊則根據(jù)用戶(hù)接口模塊給出的控制信息，對(duì)實(shí)時(shí)信息模塊所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、記錄，形成歷史統(tǒng)計(jì)信息。

3 CPU 利用率評(píng)估

盡管信息解析模塊已經(jīng)解析出了各個(gè)Domain的狀態(tài)信息和各種CPU 的時(shí)間片使用情況，但CPU 的利用率還未計(jì)算出來(lái)。

Domain上CPU 利用率計(jì)算的基本原理是通過(guò)采樣的方法，獲取一段時(shí)間Tinterval里，該Domain 所占有的某種CPU 的時(shí)間Tcpu＿onsume，然后通過(guò)如下公式即可獲得實(shí)時(shí)的CPU 利用率信息：

由于通過(guò)信息解析模塊獲得CPU 的使用時(shí)間片累計(jì)總和，所以?xún)纱尾蓸铀玫降氖褂脮r(shí)間片之差-，即是采樣點(diǎn)i到i＋1之間所使用的CPU 時(shí)間片Tcpu＿consume。至于Tinterval，可以使用定時(shí)技術(shù)，每隔一段時(shí)間會(huì)自動(dòng)進(jìn)行一次采樣，定時(shí)器的間隔時(shí)間即為T(mén)interval。但這樣得到的結(jié)果并不十分精確，因?yàn)獒槍?duì)某一CPU 的連續(xù)兩次采樣的時(shí)間間隔并不完全等于定時(shí)器的時(shí)間間隔，而是有一定的誤差，所以在XCPUMon中并沒(méi)有直接使用定時(shí)器的時(shí)間間隔，而是分別記錄下了每次采樣時(shí)的準(zhǔn)確時(shí)間點(diǎn)，然后用兩次采樣時(shí)間點(diǎn)之差來(lái)作為T(mén)interval。所以CPU 的利用率計(jì)算方法如式（2）所示：

但是這樣的計(jì)算方法，對(duì)于Guest Domain有I／O 操作執(zhí)行時(shí)，不可以準(zhǔn)確的得出CPU 的利用率。由Xen 的“Page-flipping”技術(shù)［8］的實(shí)施，在 Driver Domain（Domain0）中包含I／O 數(shù)據(jù)的內(nèi)存頁(yè)就會(huì)被替換成guest操作系統(tǒng)提供的一個(gè)未使用的頁(yè)。而這些內(nèi)存頁(yè)的替換造成了新的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)。如I／O 數(shù)據(jù)從或向Guest Domain傳輸?shù)倪^(guò)程就造成了新的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)。假設(shè)當(dāng)前系統(tǒng)中有Domain0，Domain1～DomainN （統(tǒng)稱(chēng)DomainU），而其中Domain0作為Driver Domain。觀察在Domain0處于執(zhí)行期間Ts時(shí)間內(nèi)與其他各個(gè)Domain之間的內(nèi)存頁(yè)交換總次數(shù)記為Ns，則一次內(nèi)存頁(yè)的交換產(chǎn)生的COSTs＝Ts／Ns，同時(shí)通過(guò)信息的捕獲可知DomainU 與Domain0之間的內(nèi)存頁(yè)交換次數(shù)為NdomU，則Domain0在實(shí)際的執(zhí)行時(shí)間中應(yīng)屬于DomainU 的內(nèi)存頁(yè)交換時(shí)間為T(mén)domU＝NdomU＊COSTs。

所以在計(jì)算Domain0的利用率時(shí)公式應(yīng)為

而在計(jì)算DomainU 的利用率時(shí)公式應(yīng)為

這樣，當(dāng)Guest Domain有I／O操作執(zhí)行（即NdomU?。?時(shí)），各個(gè)Domain的CPU 的使用率也可以得到正確的顯示。

4 測(cè)試與分析

測(cè)試環(huán)境如圖2所示。

圖2 測(cè)試環(huán)境

當(dāng)前物理主機(jī)上運(yùn)行了三個(gè)Domain，其ID 分別是Domain0、Domain1 和Domain2。CPU 性能監(jiān)視軟件運(yùn)行在Domain0上。

4.1 DomainU 中無(wú)I／O 操作

當(dāng)Domain1與Domain2都沒(méi)有運(yùn)行任何的應(yīng)用程序，處于阻塞狀態(tài)時(shí)，其CPU 利用率基本為0。觀察Domain0的監(jiān)視結(jié)果，如圖3所示。

圖3 XCPUMon Domain0的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由于Domain0是一個(gè)比較特殊的Domain，它是開(kāi)機(jī)時(shí)就直接開(kāi)啟的一個(gè)虛擬機(jī)，同時(shí)其中還包含著一些設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，所以Domain0 是一直處于運(yùn)行狀態(tài)，故其占用的CPU 一直大于0。在測(cè)試過(guò)程中，加入如下操作：終端中的操作、截取屏幕顯示、窗口的切換等，造成突然CPU 的數(shù)據(jù)處理，如3中所示，在x軸約40處，即第一個(gè)CPU 利用率峰值是由于工作區(qū)的轉(zhuǎn)換引起的。由圖3可以得到當(dāng)前CPU的性能數(shù)據(jù)分別為：PCPU0的利用率為3.52%，PCPU1的利用率為3.05%，VCPU0 的利用率為3.11%，VCPU1的利用率為3.45%?？梢钥闯鯬CPU 利用率之和（6.57%）基本等于VCPU利用率之和（6.56%），說(shuō) 明XCPUMon的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是合理的。

表1 Domain0的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

為了驗(yàn)證CPU 利用率的準(zhǔn)確性，在Domain0上同時(shí)運(yùn)行了Xentop與Xenmon，其結(jié)果如表1所示。Xentop顯示的當(dāng)前Domain0 的CPU 利用率情況為6.7%，與XCPUMon得到的6.6%的數(shù)據(jù)基本吻合。而Xemon會(huì)分頁(yè)顯示PCPU0的利用率為3.54%，PCPU1 的利用率為3.01%。與XCPUMon的PCPU0為3.52%，PCPU1為3.05%的數(shù)據(jù)基本一致。

綜上可知，當(dāng)Domain1 與Domain2中沒(méi)有I／O 操作時(shí)，XCPUMon的數(shù)據(jù)測(cè)量是比較準(zhǔn)確的。

4.2 DomainU 中有I／O 操作

當(dāng)Domain2中未運(yùn)行任何應(yīng)用程序，Domain1 上運(yùn)行一個(gè)間隔5s打印一次屏幕的測(cè)試程序時(shí)，XCPUMon 與Xentop的運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 CPU 利用率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

Xentop的監(jiān)視結(jié)果表明：當(dāng)前Domain0 的CPU 利用率高達(dá)142.1%，這是由于在I／O 操作密集的應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)，Xentop統(tǒng)計(jì)的CPU 的利用率包含兩個(gè)部分：另一部分為有I／O 應(yīng)用程序運(yùn)行的Domain1的CPU 利用率，一部分為Domain0在I／O 進(jìn)程執(zhí)行的過(guò)程中使用“Page-flipping”技術(shù)所產(chǎn)生的CPU 利用率。

而XCPUMon 顯示Domain0 的PCPU0 利用率為3.95%，PCPU1 的利用率為3.52%，VCPU0 的利用率為3.65%，VCPU1的利用率為3.81%，總的虛擬機(jī)CPU 利用率為7.46%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Xentop中的142.1%，而Domain1中的CPU 利用率為79.51%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Xentop中Domain1的0.1%，這是由于Domain1中開(kāi)始循環(huán)執(zhí)行Print命令造成的。可見(jiàn)，通過(guò)對(duì)各個(gè)Domain的I／O 操作時(shí)的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)的加減，即使當(dāng)有DomainU 中執(zhí)行I／O 時(shí)，XCPUMon也可以比較準(zhǔn)確的顯示出各個(gè)Domain的CPU 利用率。

5 結(jié)語(yǔ)

我們下一步的工作：對(duì)采樣間隔時(shí)間的設(shè)置。本系統(tǒng)采用定期采樣的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法，其采樣頻率對(duì)統(tǒng)計(jì)出的CPU 性能數(shù)據(jù)會(huì)有一定的影響。在保證系統(tǒng)運(yùn)行效率高，開(kāi)銷(xiāo)小的情況下，有效利用實(shí)時(shí)捕捉數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)方式來(lái)獲取CPU 性能數(shù)據(jù)，減小CPU 性能監(jiān)視軟件對(duì)CPU 性能數(shù)據(jù)的影響。

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