一、CPU使用率是怎么回事
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。
1、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)
CONFIG_HZ=1000
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
cpu 532822730 1058137 266778692 21378955139 4026652 0 2339527 0 0 0
cpu0 92858240 22002 47882207 2613235058 1258286 0 608629 0 0 0
cpu1 40415422 241989 18617467 2730885051 177096 0 53936 0 0 0
cpu2 92130355 21750 47779012 2614771095 773193 0 499878 0 0 0
cpu3 42449642 242040 18760865 2728909343 186253 0 52432 0 0 0
cpu4 92366676 23799 48370232 2614177258 662505 0 526245 0 0 0
cpu5 40171769 242154 18690596 2731045101 176410 0 50771 0 0 0
cpu6 92338035 21630 48061324 2614627999 617334 0 497951 0 0 0
cpu7 40092589 242769 18616987 2731304231 175571 0 49682 0 0 0
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
参数 | 说明 |
---|---|
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 |
2、CPU 使用率的计算方法
3、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)。
二、CPU 使用率过高怎么办?
1、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
2、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
# perf top
Samples: 187K of event 'cpu-clock', 4000 Hz, Event count (approx.): 32529663190 lost: 0/0 drop: 0/0
Overhead Shared Object Symbol
88.10% [kernel] [k] cpuidle_enter_state
1.25% [kernel] [k] _raw_spin_unlock_irqrestore
0.94% [kernel] [k] sk_run_filter
0.56% [kernel] [k] finish_task_switch
0.29% perf [.] __symbols__insert
0.21% [vdso] [.] __vdso_clock_gettime
0.18% [kernel] [k] pvclock_clocksource_read
0.17% perf [.] rb_next
0.14% cadvisor [.] 0x000000000002170e
0.13% [kernel] [k] tick_nohz_idle_enter
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)。
- 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。
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。
# perf record -F 99 -ag -- sleep 30
[ perf record: Woken up 9 times to write data ]
[ perf record: Captured and wrote 3.714 MB perf.data (23760 samples) ]
参数解释:
参数 | 说明 |
---|---|
-F 99 | 1秒钟进行采集99次 |
-g | 收集调用栈 |
-a | 采集所有cpus信息 |
-- sleep 30 | 采集时间为30秒 |
当前目录下会生成一个perf.data文件。
通过perf report可以读取perf.data文件并在终端中展示。
# perf report
Samples: 23K of event 'cpu-clock', Event count (approx.): 239999997600
Children Self Command Shared Object Symbol
+ 96.87% 0.00% swapper [kernel.kallsyms] [k] start_cpu ◆
+ 96.87% 0.01% swapper [kernel.kallsyms] [k] cpu_startup_entry ▒
+ 96.58% 0.00% swapper [kernel.kallsyms] [k] arch_cpu_idle ▒
+ 96.57% 0.00% swapper [kernel.kallsyms] [k] cpuidle_idle_call ▒
+ 96.54% 79.95% swapper [kernel.kallsyms] [k] cpuidle_enter_state ▒
+ 84.88% 0.00% swapper [kernel.kallsyms] [k] start_secondary ▒
+ 16.57% 16.48% swapper [kernel.kallsyms] [k] poll_idle ▒
+ 11.99% 0.00% swapper [kernel.kallsyms] [k] x86_64_start_kernel
三、总结
- 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。
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