【初心者向け】CPU のパフォーマンス分析の方法論（メソドロジ）【５分で読める】

# CPU のパフォーマンス分析の方法論（メソドロジ）

理解のために小咄形式でまとめました。

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- [【初心者向け】システムパフォーマンス関連まとめ【それぞれ５分で読める】](https://qiita.com/nouernet/items/d3efe67e0f52a92e061d)
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**登場人物**
- **太郎（後輩）**：入社1年目の若手エンジニア。
- **花子（先輩）**：システムエンジニア歴3年の先輩。

#### **場面：オフィスの開発ルーム**
*太郎が `CPU のパフォーマンス分析手法` に関する資料を見ながら、花子に質問する。*

**太郎**：「花子先輩、`CPU のパフォーマンスを評価` する方法が色々あるみたいですが、`どの手法をどう使い分ければいいのか` よく分からなくて…。」

**花子**：「なるほどね。`パフォーマンス分析の方法論（メソドロジ）` には、 `ツールを使った分析、ボトルネックの特定、チューニングの手法` など、いくつかのアプローチがあるのよ。 」

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### **CPU のパフォーマンス分析の方法論（メソドロジ）**
**花子**：「`CPU のパフォーマンスを分析・改善する手法` には、以下の `11 のアプローチ` があるの。」

1. **ツールメソッド**
2. **USE メソッド**
3. **ワークロードの特性の把握**
4. **プロファイリング**
5. **サイクル分析**
6. **パフォーマンスモニタリング**
7. **静的パフォーマンスチューニング**
8. **優先度のチューニング**
9. **リソースコントロール**
10. **CPU のバインド**
11. **マイクロベンチマーキング**

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### **1. ツールメソッド**
**花子**：「`ツールメソッド` は、 `パフォーマンス分析のためのツールを使ってシステムの状態を可視化` する手法よ。」

- **vmstat, top, mpstat, sar, perf などのツールを使う**
- **CPU 使用率、I/O 負荷、コンテキストスイッチ、割り込みなどを分析**
- **リアルタイムで負荷を確認し、問題がどこにあるかを特定する**

**花子**：「これは `体温計で熱を測る` みたいなもので、 `システムの状態を把握する最初のステップ` なのよ。」

**太郎**：「つまり、 `まずツールを使ってシステムの状態を観察する` のが大事なんですね！」

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### **2. USE メソッド**
**花子**：「`USE メソッド` は、 `CPU のボトルネックを特定するための手法` よ。」

- **USE = Utilization（使用率）, Saturation（飽和度）, Errors（エラー）の略**
- **CPU のリソースがどれくらい使われているかを分析**
- **例えば、CPU の使用率が高すぎる場合、ボトルネックの原因を特定する**

**花子**：「これは `高速道路の渋滞分析` みたいなもので、 `どの車線（CPU）が詰まっているのかを調べる` のと同じよ。」

**太郎**：「なるほど！ `USE メソッドを使えば、どのリソースが問題を起こしているのか分かる` んですね！」

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### **3. ワークロードの特性の把握**
**花子**：「`ワークロードの特性を把握` することも重要よ。」

- **CPU がシングルスレッドなのか、マルチスレッドなのかを分析**
- **バースト型の負荷か、安定した負荷かを確認**
- **キャッシュヒット率やメモリアクセスの頻度を調査**

**花子**：「これは `お店の混雑パターンを分析` するのと同じで、 `ピークタイムの対応を考える` のに似てるわ。」

**太郎**：「ってことは、 `システムがどんな負荷にさらされるかを理解する` のが大事なんですね！」

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### **4. プロファイリング**
**花子**：「`プロファイリング` は、 `特定のプロセスやコードの詳細な動作を解析する手法` よ。」

- **perf, strace, gprof などのツールを使用**
- **CPU 時間のどこに時間がかかっているかを特定**
- **関数単位での実行時間を測定し、最適化すべき箇所を見つける**

**花子**：「これは `会計ソフトでどの項目にお金を使っているかを分析する` のと同じね。」

**太郎**：「つまり、 `プログラムのボトルネックを細かく分析する` のがプロファイリングですね！」

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### **5. サイクル分析**
**花子**：「`サイクル分析` は、 `CPU のサイクル単位でどこに時間がかかっているかを分析` する手法よ。」

- **CPI（Cycles Per Instruction）を計測**
- **キャッシュミス、ブランチミス、命令パイプラインの影響を分析**
- **ハードウェアカウンタを活用して CPU の効率を調査**

**花子**：「これは `スポーツ選手のフォーム分析` みたいなもので、 `どこで無駄が発生しているかを特定する` のよ。」

**太郎**：「なるほど、 `CPU の内部動作を深掘りする` 手法なんですね！」

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### **6. パフォーマンスモニタリング**
**花子**：「`パフォーマンスモニタリング` は、 `システムの状態を定期的に監視する` 方法よ。」

- **sar, mpstat, iostat などを使う**
- **長期間のトレンドを分析し、ボトルネックを特定**
- **キャパシティプランニングに活用できる**

**花子**：「これは `天気予報のデータ収集` みたいなもので、 `長期的な変化を追う` のよ。」

**太郎**：「短期的な観察だけでなく、 `長期間の傾向をチェックすることも大事` なんですね！」

### **7. 静的パフォーマンスチューニング**
**花子**：「`静的パフォーマンスチューニング` は、`アプリケーションやシステムの設定を見直して性能を最適化する手法` よ。」

- **CPU アフィニティの設定やスレッド数の調整**
- **コンパイラ最適化オプション（例: `-O2`, `-O3`）の利用**
- **不要なサービスの無効化やシステムパラメータの調整（例: `sysctl` 設定）**

**花子**：「これは `車のタイヤの空気圧を適切に調整する` ようなもので、`基本的な設定を最適化するだけでパフォーマンスが向上` することがあるのよ。」

**太郎**：「つまり、`システム全体の設定を見直して、無駄なリソース消費を抑える` ことが大事なんですね！」

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### **8. 優先度のチューニング**
**花子**：「`優先度のチューニング` は、`CPU リソースの割り当てを最適化する方法` よ。」

- **プロセスの優先度変更（`nice`, `renice` コマンドの利用）**
- **リアルタイムスケジューリングポリシー（例: `SCHED_FIFO`, `SCHED_RR`）の設定**
- **重要なプロセスに優先的に CPU 時間を割り当てる**

**花子**：「これは `レストランでVIP客を優先的に案内する` みたいなもので、`重要な処理がスムーズに進むように調整する` のよ。」

**太郎**：「`優先度を適切に設定することで、重要なプロセスが遅れないようにできる` んですね！」

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### **9. リソースコントロール**
**花子**：「`リソースコントロール` は、`各プロセスが使用できるリソースを制限して、全体のバランスを保つ手法` よ。」

- **`cgroups` を利用して CPU、メモリ、I/O などの使用量を制限**
- **コンテナ環境（例: Docker）のリソース制御オプションを活用**
- **CPU クォータや CPU シェアの設定で、リソースの偏りを防ぐ**

**花子**：「これは `飲み放題のお店で一人一人のグラスを制限する` ようなもので、`全体のリソースを効率的に分配できる` のよ。」

**太郎**：「リソースを使いすぎるプロセスを制限することで、`他のプロセスへの影響を抑えられる` んですね！」

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### **10. CPU のバインド**
**花子**：「`CPU のバインド` は、`特定のプロセスやスレッドを特定の CPU コアに固定する手法` よ。」

- **`taskset` コマンドを使ってプロセスを特定の CPU に固定**
- **マルチスレッドアプリケーションでの NUMA（Non-Uniform Memory Access）最適化**
- **高頻度な割り込み処理を行うプロセスを専用のコアに割り当てる**

**花子**：「これは `工場の作業ラインを固定する` ようなもので、`決まった担当者が効率よく作業できる` のよ。」

**太郎**：「`プロセスを特定のコアに割り当てることで、キャッシュ効率が向上したり、競合を減らせたりする` んですね！」

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### **11. マイクロベンチマーキング**
**花子**：「`マイクロベンチマーキング` は、`CPU や特定のコードの性能を詳細に評価するためのテスト手法` よ。」

- **`sysbench` や `lmbench` などの専用ツールを使用**
- **アルゴリズム単位や関数単位での性能を測定**
- **比較検証や最適化の前後での効果を確認するのに有効**

**花子**：「これは `エンジンのパーツごとに性能を測る` ようなもので、`細かい改善ポイントを見つけるのに最適` なの。」

**太郎**：「特定の処理だけを切り出してテストすることで、`問題のある箇所をピンポイントで特定できる` んですね！」

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### **まとめ**
**花子**：「`CPU のパフォーマンス分析` には、 `ツールを使って可視化し、ボトルネックを特定し、最適化するプロセス` が重要なのよ。」

**太郎**：「ありがとうございます！ `まずはツールを使ってシステムの状態を確認し、USE メソッドでボトルネックを特定してみます！」 

# 参考リンク

システムパフォーマンス関連記事の目次

- [【初心者向け】システムパフォーマンス関連まとめ【それぞれ５分で読める】](https://qiita.com/nouernet/items/d3efe67e0f52a92e061d)

システムパフォーマンス関連記事は、以下の書籍を参考に記述しています。

- [［改訂新版］プロのためのLinuxシステム構築・運用技術](https://www.amazon.co.jp/dp/B01LZURAPK)
- [改訂2版 ネットワークエンジニアの教科書](https://www.amazon.co.jp/dp/B07NXQ4TDV)
- [絵で見てわかるシステムパフォーマンスの仕組み](https://www.amazon.co.jp/dp/B00LHFOTF4)
- [詳解 システム・パフォーマンス 第2版](https://www.oreilly.co.jp/books/9784814400072/)
- [入門 モダンLinux](https://www.oreilly.co.jp/books/9784814400218/)
- [Linuxシステム管理](https://www.oreilly.co.jp/books/9784873113463/)