搞不懂CPU使用率？何谈性能优化

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。

CPU 使用率是单位时间内 CPU 使用情况的统计，以百分比的方式展示。Linux 作为一个多任务操作系统，将每个 CPU 的时间划分为很短的时间片，再通过调度器轮流分配给各个任务使用，因此造成多任务同时运行的错觉。

为了维护 CPU 时间，Linux 通过节拍率触发时间中断，进行使用率统计。

相关名词解析

节拍率 HZ： 内核的可配选项，可以设置为 100、250、1000 等(也就是每秒钟触发 100、250、1000次时间中断)。不同的系统可能设置不同数值，可以通过查询 cat /boot/config 内核选项来查看它的配置值。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）

查看系统内核节拍率：grep 'CONFIG_HZ=' /boot/config-$(uname -r)

USER_HZ （用户空间节拍率） : 因为节拍率 HZ 是内核选项，用户空间程序并不能直接访问。所以内核提供来一个用户空间节拍率 USER_HZ，固定值为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 100。

CPU 使用率相关的重要指标

# 查看系统的 CPU 和任务统计信息,只保留各个 CPU 的数据
$ cat /proc/stat | grep ^cpu

第一列表示的是 CPU 编号，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。更多列内容含义可以通过man proc查看文档得知

1. 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。
2. 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。
3. system（通常缩写为 sys）， 代表内核态 CPU 时间。
4. 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）。
5. iowait（通常缩写为 wa），代表等待 I/O 的 CPU 时间。
6. irq（通常缩写为 hi），代表处理硬中断的 CPU 时间。
7. softirq（通常缩写为 si），代表处理软中断的 CPU 时间。
8. 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。
9. 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。
10. guest_nice（通常缩写为 gnice），代表以低优先级运行虚拟机的时间。

CPU 使用率的计算方法

怎么查看 CPU 使用率

要查看 CPU 使用率，就必须先读取/proc/stat和/proc/[pid]/stat这两个文件，然后再按照上面的公式计算。但现在各种各样的性能分析工具已经帮我们计算好了。

top

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。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

ps

ps 则只显示了每个进程的资源使用情况。

pidstat

pidstat 每个进程的详细情况，

• 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）。

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GDB

有个功能强大的程序调试利器GDB（The GNU Project Debugger）， 但GDB 并不适合在性能分析的早期应用。GDB 调试程序的过程会中断程序运行，这在线上环境往往是不允许的。所以，GDB 只适合用在性能分析的后期，当你找到了出问题的大致函数后，线下再借助它来进一步调试函数内部的问题

perf

perf 是 Linux2.6.31 以后内置的性能分析工具。它以性能事件采样为基础，不仅可以分析系统的各种事件和内核性能，还可以用来分析指定应用程序的性能问题

perf top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

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）。
1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。

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, 加上-g参数，可以开启调用关系的采样，方便根据调用链来分析性能问题。

• 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。