> 本文是通过学习极客时间专栏《Linux性能优化实战》05 | 基础篇：某个应用的CPU使用率居然达到100%，我该怎么办？ ## CPU 使用率 *** 为了维护 CPU 时间，Linux 通过事先定义的节拍率（内核中表示为 HZ），触发时间中断，并使用全局变量 Jiffies 记录了开机以来的节拍数。每发生一次时间中断，Jiffies 的值就加 1。 节拍率 HZ 是内核的可配选项，可以设置为 100、250、1000 等。不同的系统可能设置不同数值，你可以通过查询 /boot/config 内核选项来查看它的配置值。比如在我的系统中，节拍率设置成了 250，也就是每秒钟触发 250 次时间中断。 ``` $ grep 'CONFIG_HZ=' /boot/config-$(uname -r) CONFIG_HZ=250 ``` 同时，正因为节拍率 HZ 是内核选项，所以用户空间程序并不能直接访问。为了方便用户空间程序，内核还提供了一个用户空间节拍率 USER_HZ，它总是固定为 100，也就是 1/100 秒。这样，用户空间程序并不需要关心内核中 HZ 被设置成了多少，因为它看到的总是固定值 USER_HZ。 Linux 通过 /proc 虚拟文件系统，向用户空间提供了系统内部状态的信息，而 /proc/stat 提供的就是系统的 CPU 和任务统计信息。比方说，如果你只关注 CPU 的话，可以执行下面的命令： ``` # 只保留各个CPU的数据 $ cat /proc/stat | grep ^cpu cpu 280580 7407 286084 172900810 83602 0 583 0 0 0 cpu0 144745 4181 176701 86423902 52076 0 301 0 0 0 cpu1 135834 3226 109383 86476907 31525 0 282 0 0 0 ``` 这里的输出结果是一个表格。其中，第一列表示的是 CPU 编号，如 cpu0、cpu1 ，而第一行没有编号的 cpu ，表示的是所有 CPU 的累加。其他列则表示不同场景下 CPU 的累加节拍数，它的单位是 USER_HZ，也就是 10 ms（1/100 秒），所以这其实就是不同场景下的 CPU 时间。 当然，这里每一列的顺序并不需要你背下来。你只要记住，有需要的时候，查询 man proc 就可以。不过，你要清楚 man proc 文档里每一列的涵义，它们都是 CPU 使用率相关的重要指标，你还会在很多其他的性能工具中看到它们。下面，我来依次解读一下。 * user（通常缩写为 us），代表用户态 CPU 时间。注意，它不包括下面的 nice 时间，但包括了 guest 时间。 * nice（通常缩写为 ni），代表低优先级用户态 CPU 时间，也就是进程的 nice 值被调整为 1-19 之间时的 CPU 时间。这里注意，nice 可取值范围是 -20 到 19，数值越大，优先级反而越低。 * system（通常缩写为 sys），代表内核态 CPU 时间。 * idle（通常缩写为 id），代表空闲时间。注意，它不包括等待 I/O 的时间（iowait）。 * iowait（通常缩写为 wa），代表等待 I/O 的 CPU 时间。 * irq（通常缩写为 hi），代表处理硬中断的 CPU 时间。 * softirq（通常缩写为 si），代表处理软中断的 CPU 时间。 * steal（通常缩写为 st），代表当系统运行在虚拟机中的时候，被其他虚拟机占用的 CPU 时间。 * guest（通常缩写为 guest），代表通过虚拟化运行其他操作系统的时间，也就是运行虚拟机的 CPU 时间。 * guest_nice（通常缩写为 gnice），代表以低优先级运行虚拟机的时间。 而我们通常所说的** CPU 使用率，就是除了空闲时间外的其他时间占总 CPU 时间的百分比**，用公式来表示就是：  ## 怎么查看 CPU 使用率 top 和 ps 是最常用的性能分析工具：top 显示了系统总体的 CPU 和内存使用情况，以及各个进程的资源使用情况。ps 则只显示了每个进程的资源使用情况。 ``` # 默认每3秒刷新一次 $ top top - 11:58:59 up 9 days, 22:47, 1 user, load average: 0.03, 0.02, 0.00 Tasks: 123 total, 1 running, 72 sleeping, 0 stopped, 0 zombie %Cpu(s): 0.3 us, 0.3 sy, 0.0 ni, 99.3 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st KiB Mem : 8169348 total, 5606884 free, 334640 used, 2227824 buff/cache KiB Swap: 0 total, 0 free, 0 used. 7497908 avail Mem PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND 1 root 20 0 78088 9288 6696 S 0.0 0.1 0:16.83 systemd 2 root 20 0 0 0 0 S 0.0 0.0 0:00.05 kthreadd 4 root 0 -20 0 0 0 I 0.0 0.0 0:00.00 kworker/0:0H ... ``` 这个输出结果中，top 默认显示的是所有 CPU 的平均值，这个时候你只需要按下数字 1 ，就可以切换到每个 CPU 的使用率了。 继续往下看，空白行之后是进程的实时信息，每个进程都有一个 %CPU 列，表示进程的 CPU 使用率。它是用户态和内核态 CPU 使用率的总和，包括进程用户空间使用的 CPU、通过系统调用执行的内核空间 CPU 、以及在就绪队列等待运行的 CPU。在虚拟化环境中，它还包括了运行虚拟机占用的 CPU。 用 pidstat 吧，它正是一个专门分析每个进程 CPU 使用情况的工具。 下面的 pidstat 命令，就间隔 1 秒展示了进程的 5 组 CPU 使用率，包括： - 用户态 CPU 使用率 （%usr）； - 内核态 CPU 使用率（%system）； - 运行虚拟机 CPU 使用率（%guest）； - 等待 CPU 使用率（%wait）； - 以及总的 CPU 使用率（%CPU）。 最后的 Average 部分，还计算了 5 组数据的平均值。 ``` # 每隔1秒输出一组数据，共输出5组 $ pidstat 1 5 15:56:02 UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command 15:56:03 0 15006 0.00 0.99 0.00 0.00 0.99 1 dockerd ... Average: UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command Average: 0 15006 0.00 0.99 0.00 0.00 0.99 - dockerd ``` ## CPU 使用率过高怎么办？ 使用 perf 分析 CPU 性能问题，我来说两种最常见、也是我最喜欢的用法。 第一种常见用法是 perf top，类似于 top，它能够实时显示占用 CPU 时钟最多的函数或者指令，因此可以用来查找热点函数，使用界面如下所示： ``` $ perf top Samples: 833 of event 'cpu-clock', Event count (approx.): 97742399 Overhead Shared Object Symbol 7.28% perf [.] 0x00000000001f78a4 4.72% [kernel] [k] vsnprintf 4.32% [kernel] [k] module_get_kallsym 3.65% [kernel] [k] _raw_spin_unlock_irqrestore ... ``` 输出结果中，第一行包含三个数据，分别是采样数（Samples）、事件类型（event）和事件总数量（Event count）。比如这个例子中，perf 总共采集了 833 个 CPU 时钟事件，而总事件数则为 97742399。 再往下看是一个表格式样的数据，每一行包含四列，分别是： + 第一列 Overhead ，是该符号的性能事件在所有采样中的比例，用百分比来表示。 + 第二列 Shared ，是该函数或指令所在的动态共享对象（Dynamic Shared Object），如内核、进程名、动态链接库名、内核模块名等。 + 第三列 Object ，是动态共享对象的类型。比如 [.] 表示用户空间的可执行程序、或者动态链接库，而 [k] 则表示内核空间。 + 最后一列 Symbol 是符号名，也就是函数名。当函数名未知时，用十六进制的地址来表示。 还是以上面的输出为例，我们可以看到，占用 CPU 时钟最多的是 perf 工具自身，不过它的比例也只有 7.28%，说明系统并没有 CPU 性能问题。 perf top 的使用你应该很清楚了吧。 接着再来看第二种常见用法，也就是 perf record 和 perf report。 perf top 虽然实时展示了系统的性能信息，但它的缺点是并不保存数据，也就无法用于离线或者后续的分析。而 perf record 则提供了保存数据的功能，保存后的数据，需要你用 perf report 解析展示。 ``` $ perf record # 按Ctrl+C终止采样 [ perf record: Woken up 1 times to write data ] [ perf record: Captured and wrote 0.452 MB perf.data (6093 samples) ] $ perf report # 展示类似于perf top的报告 ``` 测试一下这个 Nginx 服务的性能 ``` # 并发10个请求测试Nginx性能，总共测试100个请求 $ ab -c 10 -n 10000 http://192.168.0.10:10000/ This is ApacheBench, Version 2.3 <$Revision: 1706008 $> Copyright 1996 Adam Twiss, Zeus Technology Ltd, ... Requests per second: 11.63 [#/sec] (mean) Time per request: 859.942 [ms] (mean) ... ``` 新开一个终端运行 top 命令，并按下数字 1 ，切换到每个 CPU 的使用率： ``` $ top ``` 怎么知道是 php-fpm 的哪个函数导致了 CPU 使用率升高呢？我们来用 perf 分析一下。在第一个终端运行下面的 perf 命令： ``` # -g开启调用关系分析，-p指定php-fpm的进程号21515 $ perf top -g -p 21515 ``` ## 小结 CPU 使用率是最直观和最常用的系统性能指标，更是我们在排查性能问题时，通常会关注的第一个指标。所以我们更要熟悉它的含义，尤其要弄清楚用户（%user）、Nice（%nice）、系统（%system） 、等待 I/O（%iowait） 、中断（%irq）以及软中断（%softirq）这几种不同 CPU 的使用率。比如说： + 用户 CPU 和 Nice CPU 高，说明用户态进程占用了较多的 CPU，所以应该着重排查进程的性能问题。 + 系统 CPU 高，说明内核态占用了较多的 CPU，所以应该着重排查内核线程或者系统调用的性能问题。 + I/O 等待 CPU 高，说明等待 I/O 的时间比较长，所以应该着重排查系统存储是不是出现了 I/O 问题。 + 软中断和硬中断高，说明软中断或硬中断的处理程序占用了较多的 CPU，所以应该着重排查内核中的中断服务程序。 碰到 CPU 使用率升高的问题，你可以借助 top、pidstat 等工具，确认引发 CPU 性能问题的来源；再使用 perf 等工具，排查出引起性能问题的具体函数。思考 如需要请购买  > 本文由博客一文多发平台 [OpenWrite](https://openwrite.cn?from=article_bottom) 发布！