轉載自??服務器性能指標（二）——CPU利用率分析及問題排查

平常的工作中，在衡量服務器的性能時，經常會涉及到幾個指標，load、cpu、mem、qps、rt等。每個指標都有其獨特的意義，很多時候在線上出現問題時，往往會伴隨著某些指標的異常。大部分情況下，在問題發生之前，某些指標就會提前有異常顯示。

在上一篇文章中，我們介紹了一個重要的指標就是負載（Load），其中我們提到Linux的負載高，主要是由于CPU使用、內存使用、IO消耗三部分構成。任意一項使用過多，都將導致服務器負載的急劇攀升。本文就來分析其中的第二項，CPU的利用率。主要涉及CPU利用率的定義、查看CPU利用率方式、CPU利用率飆高排查思路等。

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什么是CPU利用率

CPU利用率，又稱CPU使用率。顧名思義，CPU利用率是來描述CPU的使用情況的，表明了一段時間內CPU被占用的情況。使用率越高，說明你的機器在這個時間上運行了很多程序，反之較少。使用率的高低與你的CPU強弱有直接關系。

在接下來深入介紹CPU的利用率之前，我們先來解釋一個簡單的概念，可能是很多人一直存在誤解的地方。

很多人都知道，現在我們用到操作系統，無論是Windows、Linux還是MacOS等其實都是多用戶多任務分時操作系統。使用這些操作系統的用戶是可以“同時”干多件事的，這已經是日常習慣了，并沒覺得有什么特別。 但是實際上，對于單CPU的計算機來說，在CPU中，同一時間是只能干一件事兒的。為了看起來像是“同時干多件事”，分時操作系統是把CPU的時間劃分成長短基本相同的時間區間,即"時間片"，通過操作系統的管理，把這些時間片依次輪流地分配給各個用戶使用。 如果某個作業在時間片結束之前,整個任務還沒有完成，那么該作業就被暫停下來,放棄CPU，等待下一輪循環再繼續做.此時CPU又分配給另一個作業去使用。 由于計算機的處理速度很快，只要時間片的間隔取得適當,那么一個用戶作業從用完分配給它的一個時間片到獲得下一個CPU時間片，中間有所"停頓"，但用戶察覺不出來,好像整個系統全由它"獨占"似的。

而我們說到的CPU的占用率，一般指的就是對時間片的占用情況。

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查看CPU利用率

在上一篇文章中，我們介紹過，使用uptime、top、w等命令可以在Linux查看系統的負載情況。其中，top命令也可以用來查看CPU的利用率，除此之外，還可以使用vmstat來查看cpu的利用率。

vmstat命令

vmstat命令是最常見的Linux/Unix監控工具，可以展現給定時間間隔的服務器的狀態值,包括服務器的CPU使用率，內存使用，虛擬內存交換情況,IO讀寫情況。

1? ?~ vmstat 2procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- --system-- -----cpu----- 3 r ?b ? swpd ? free ? buff ?cache ? si ? so ? ?bi ? ?bo ? in ? cs us sy id wa st 4 0 ?1 ? ? ?0 2446260 ? ? ?0 3202312 ? ?0 ? ?0 ? 201 16304 ? ?1 ? ?6 ?0 ?0 84 ?5 1

從上面的結果中我們可以看到很多信息，我們本文重點關注下cpu部分的指標。

1us sy id wa st 20 ?0 ?84 ?5 1

以上幾個指標是當前CPU的占用情況。

%us：用戶進程執行時間百分比

us的值比較高時，說明用戶進程消耗的CPU時間多，但是如果長期超50%的使用，那么我們就該考慮優化程序算法或者進行加速。

%sy：內核系統進程執行時間百分比

sy的值高時，說明系統內核消耗的CPU資源多，這并不是良性表現，我們應該檢查原因。

%id：空閑時間百分比

%wa：IO等待時間百分比

wa的值高時，說明IO等待比較嚴重，這可能由于磁盤大量作隨機訪問造成，也有可能磁盤出現瓶頸（塊操作）。

%st：虛擬 CPU 等待實際 CPU 的時間的百分比

一般vmstat工具的使用是通過兩個數字參數來完成的，第一個參數是采樣的時間間隔數，單位是秒，第二個參數是采樣的次數。

1? ?~ vmstat 2 2 2procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- --system-- -----cpu----- 3 r ?b ? swpd ? free ? buff ?cache ? si ? so ? ?bi ? ?bo ? in ? cs us sy id wa st 4 0 ?0 ? ? ?0 2479444 ? ? ?0 3165172 ? ?0 ? ?0 ? 196 15905 ? ?2 ? ?8 ?0 ?0 84 ?5 11 5 0 ?0 ? ? ?0 2479404 ? ? ?0 3165176 ? ?0 ? ?0 ? ? 0 ?2804 81664 2715 ?0 ?0 90 ?1 ?9

以上命令表示采集兩次數據，每隔2秒采集一次。

top命令

top命令是Linux下常用的性能分析工具，能夠實時顯示系統中各個進程的資源占用狀況，類似于Windows的任務管理器。

1~ top 2top - 10:58:07 up 18:13, ?1 user, ?load average: 0.32, 0.24, 0.19 3Tasks: ?64 total, ? 1 running, ?63 sleeping, ? 0 stopped, ? 0 zombie 4Cpu(s): ?0.1%us, ?0.2%sy, ?0.0%ni, 92.8%id, ?0.1%wa, ?0.0%hi, ?0.0%si, ?6.8%st 5Mem: ? 8388608k total, ?5928076k used, ?2460532k free, ? ? ? ?0k buffers 6Swap: 16777216k total, ? ? ? ?0k used, 16777216k free, ?3181996k cached 7 ? PID USER ? ? ?PR ?NI ?VIRT ?RES ?SHR S %CPU %MEM ? ?TIME+ ?COMMAND 8 ?2393 admin ? ? 20 ? 0 5056m 2.2g ?56m S ?4.3 27.6 ?79:06.21 java 9 ?1054 root ? ? ?20 ? 0 ?338m 9760 5112 S ?0.3 ?0.1 ? 2:37.30 logagent

使用top命令，除了可以查看Load Avg以外，還可以顯示CPU利用率信息。

以上top命令打印的信息中（Cpu(s): 0.1%us, 0.2%sy, 0.0%ni, 92.8%id, 0.1%wa, 0.0%hi, 0.0%si, 6.8%st），第三行反映了當前cpu的整體情況。

從上面的打印信息中我們還可以看到，ID為2393的java進程當前內存使用率最高，占到4.3%左右。

由于Java是多線程的，所有，有些時候我們希望可以查看一個Java進程中所有線程的cpu使用率如何，也可以使用top命令來查看。

1? ?~ top -Hp 1893 2PID USER ? ? ?PR ?NI ?VIRT ?RES ?SHR S %CPU %MEM ? ?TIME+ ?COMMAND 319163 admin ? ? 20 ? 0 5056m 2.2g ?56m S ?1.7 27.6 ?17:39.97 java 410649 admin ? ? 20 ? 0 5056m 2.2g ?56m S ?0.7 27.6 ? 4:07.64 java 55884 admin ? ? 20 ? 0 5056m 2.2g ?56m S ?0.3 27.6 ? 2:18.19 java 610650 admin ? ? 20 ? 0 5056m 2.2g ?56m S ?0.3 27.6 ? 1:24.77 java

通過top -Hp 1893命令，我們可以發現，當前1893這個進程中，ID為19163的線程占用CPU最高，達到1.7%左右。

PS：top命令的輸出結果是動態的，隨著系統的情況實時變化的。

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CPU使用率的計算邏輯

描述系統cpu使用情況主要有一下幾點：

user 從系統啟動到現在，CPU處于用戶態的運行時間。不包含nice值為負的進程。

nice 從系統啟動到現在，CPUnice為負值的進程占用的cpu時間。

system 從系統啟動到現在，CPU處于內核態的運行時間。

idle 從系統啟動到現在，CPU除了 iowait外的等待時間。

iowait 從系統啟動到現在，CPUio 等待時間。

irq 從系統啟動到現在，CPU硬中斷花費的時間。

softirq 從系統啟動到現在，CPU軟中斷花費的時間。

steal 從系統啟動到現在，CPU運行其他虛擬環境中的操作系統花費的時間。

guest 從系統啟動到現在，CPU運行在通過Linux內核控制的客戶操作系統上的虛擬cpu的時間。

guest_nice 從系統啟動到現在，CPU運行在通過Linux內核控制的客戶操作系統上的虛擬cpu的時間, nice 為負值進程。

知道了以上參數的意思，計算某段時間內的cpu使用率就不難，由于cpu資源是在高速的變化，于是計算cpu使用率只能是在一段時間內的，設置兩個時間點為t1和t2， CPU在t1和t2時間內總的使用時間:

1( user2+ nice2+ system2+ idle2+ iowait2+ irq2+ softirq2 + steal2 + guest2 + guest_nice2 ) - ( user1+ nice1+ system1+ idle1+ iowait1+ irq1+ softirq1 + steal1 + guest1 + guest_nice1)

CPU的空閑時間：

1(idle2 -idle1)

CPU在t1和t2時間內的使用率

1CPU非空閑時間/CPU總時間*100%=（1-CPU的空閑時間/CPU總時間）*100%

則：

1CPU(t1,t2)使用率：1-(idle2-idle1)/(( user2+ nice2+ system2+ idle2+ iowait2+ irq2+ softirq2 + steal2 + guest2 + guest_nice2 ) - ( user1+ nice1+ system1+ idle1+ iowait1+ irq1+ softirq1 + steal1 + guest1 + guest_nice1))

(參考資料：https://blog.csdn.net/IT_DREAM_ER/article/details/52037368)

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CPU利用率和負載

我們上一篇文章介紹了系統的負載，本文介紹了CPU利用率，很多小伙伴就會分不清楚了，這兩者之前到底有什么區別和聯系呢？

CPU利用率是對一個時間段內CPU使用狀況的統計，通過這個指標可以看出在某一個時間段內CPU被占用的情況。

CPU負載是在一段時間內CPU正在處理以及等待CPU處理的進程數之和的統計信息，也就是CPU使用隊列的長度的統計信息。

有一個很好的比喻，就是把CPU的使用比喻成排隊打電話：

我們將CPU就類比為電話亭，每一個進程都是一個需要打電話的人。現在有一個電話亭（單核計算機），有10個人需要打電話（10個進程）。現在使用電話的規則是管理員會按照順序給每一個人輪流分配1分鐘的使用電話時間，如果使用者在1分鐘內使用完畢，那么可以將電話使用權返還給管理員，如果到了1分鐘電話使用者還沒有使用完畢，那么需要重新排隊，等待再次分配使用。在電話亭使用過程中，肯定會有人打完電話走掉，有人沒有打完電話而選擇重新排隊，同樣也會有新來的人繼續排隊，這個人數的變化就相當于任務數的增減。

CPU的Load統計一定時間段內，所有使用電話的人加上等待電話分配的人數的平均值。為了統計平均負載情況，我們5分鐘統計一次人數，并在第1、5、15分鐘的時候對統計情況取平均值，從而形成第1、5、15分鐘的平均負載。

CPU利用率統計的進程在進入電話亭后，真正使用電話的時間和在電話亭停留的時間的比值。例如一個用戶得到了一分鐘的使用權，在10秒鐘內打了電話，然后去查詢號碼本花了20秒鐘，再用剩下的30秒打了另一個電話。那么他的利用率就是(10+30)/60

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Java Web應用CPU使用率飆高排查思路

當發現系統的CPU使用率飆高時，首先要定位到是哪個進程占用的CPU較高。一般情況下，對于Java代碼來說，導致CPU飆高可能由以下幾個原因引起：

1、內存泄露、導致大量Full GC（如典型的Java 1.7之前的String.subString導致的內存泄露問題） 2、代碼存在死循環（如典型的多線程場景使用HashMap導致死循環的問題）

這部分問題排查思路其實和我上一篇問文章的思路差不多，基本都是先定位到占用CPU較多的進程和線程，然后通過命令在查看這條線程執行情況。通過分析代碼來定位其中的問題。

這里就不重復介紹了，最重要的是熟練的使用jstack、jstat以及jmap等命令來定位及解決Java進程的問題。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的服务器性能指标（二）——CPU利用率分析及问题排查的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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