linux性能优化-cpu使用率

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1.CPU使用率

用什么指标来描述系统的CPU性能呢?不是平均负载，也不是CPU上下文切换，而是另一个更直观的指标CPU使用率，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。

2.节拍率的概念

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 Jiwies记录了开机以来的节拍数。每发生一次时间中断，Jiwies的值就加 1。

2.1.查看系统节拍率

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。

[root@centos7-2 ~]# grep 'CONFIG_HZ=' /boot/config-$(uname -r)
CONFIG_HZ=1000

2.2.用户节拍率

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。

USER_HZ=100

为了方便用户控件程序，内核还提供了一个用户控件的节拍率，它总是固定为100，也就是1/100秒，这样用户控件程序并需要关系内核中HZ被设置成了多少

2.3.CPU使用率公式

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

根据这个公式，我们就可以从 /proc/stat 中的数据，很容易地计算出CPU使用率。当然，也可以用每一个场景的CPU 时间，除以总的 CPU 时间，计算出每个场景的CPU使用率。
为了计算机CPU使用率,性能能工具一般都会间隔一段时间（比如 3 秒）的两次值做差后，再计算出这段时间的平均CPU使用率。

性能分析工具给出的都是间隔一段时间的平均CPU使用率，所以要注意间隔时间的设置，特别是用多个工具对比分析时，你一定要保证他们用的是相同的间隔时间。

3.怎么查看CPU使用率

• 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；
• pidstat分析每个进程CPU使用情况

3.1.top显示系统总体CPU使用情况

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

#查看cpu整体负载
top

top - 14:25:10 up  1:30,  2 users,  load average: 0.18, 0.21, 0.25
Tasks: 235 total,   1 running, 234 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
%Cpu(s):  1.2 us,  0.5 sy,  0.0 ni, 98.1 id,  0.1 wa,  0.0 hi,  0.1 si,  0.0 st
MiB Mem :   7915.7 total,   2686.9 free,   3559.6 used,   1670.1 buff/cache
MiB Swap:   2048.0 total,   2048.0 free,      0.0 used.   4127.0 avail Mem

  PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU  %MEM     TIME+ COMMAND
 1084 root      20   0  977416  82904  43556 S   2.3   1.0   0:10.82 systemd
 1243 alice     20   0 1710980 395384  40816 S   1.7   4.9   0:08.73 gnome-shell
 1912 bob       20   0  665208  73144  54936 S   1.0   0.9   0:03.44 chrome
  925 root      20   0       0      0      0 I   0.7   0.0   0:02.30 kworker/0:2-events
 3051 alice     20   0  835956  64388  44480 S   0.3   0.8   0:01.27 gnome-terminal-

#解释示例输出：

- `top - 14:25:10 up 1:30, 2 users, load average: 0.18, 0.21, 0.25`：
显示当前系统时间、系统已运行时间、当前登录用户数以及系统的平均负载情况。

- `Tasks: 235 total, 1 running, 234 sleeping, 0 stopped, 0 zombie`：
显示当前系统任务的统计信息，包括总任务数、正在运行的任务数、睡眠中的任务数、停止的任务数和僵尸进程数。

- `%Cpu(s): 1.2 us, 0.5 sy, 0.0 ni, 98.1 id, 0.1 wa, 0.0 hi, 0.1 si, 0.0 st`：
显示CPU使用情况的统计信息，包括用户空间占用率、系统空间占用率、Nice优先级任务占用率、空闲率、等待IO的任务占用率、硬中断占用率、软中断占用率和虚拟化占用率。
- `MiB Mem: 7915.7 total, 2686.9 free, 3559.6 used

3.2.pidstat分析每个进程CPU使用情况

top并没有细分进程的用户态CPU和内核态CPU，那要怎么查看每个进程的详细情况呢？

[root@centos7-2 ~]# pidstat 1 5
Linux 3.10.0-693.el7.x86_64 (centos7-2) 2023年12月17日 _x86_64_ (2 CPU)
20时54分33秒 UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command
20时54分34秒 0 24002 0.98 0.98 0.00 0.00 1.96 0 pidstat
20时54分34秒 UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command
20时54分35秒 27 1112 0.00 0.99 0.00 0.00 0.99 0 mysqld
20时54分35秒 0 24002 0.00 1.98 0.00 0.00 1.98 0 pidstat
20时54分35秒 UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command
20时54分36秒 0 24002 1.00 1.00 0.00 0.00 2.00 0 pidstat
20时54分36秒 UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command
20时54分37秒 0 24002 1.00 1.00 0.00 0.00 2.00 0 pidstat
20时54分37秒 UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command
20时54分38秒 0 24002 0.00 1.00 0.00 0.00 1.00 0 pidstat
平均时间: UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command
平均时间: 27 1112 0.00 0.20 0.00 0.00 0.20 - mysqld
平均时间: 0 24002 0.60 1.19 0.00 0.00 1.79 - pidstat

参数详细说明：

• 用户ID (UID): 进程所有者的用户ID。
• 进程ID (PID): 进程的唯一标识符。
• %usr (User CPU %): 用户空间的 CPU 使用率。
• %system (System CPU %): 内核空间的 CPU 使用率。
• %guest (Guest CPU %): 虚拟机（guest）的 CPU 使用率。
• %wait (IO Wait %): 进程等待 I/O 操作的时间比例。
• %CPU (CPU %): 进程的总 CPU 使用率（%usr + %system）。
• CPU: 指示在哪个 CPU 上运行的进程。
• Command: 进程的命令名。

4.CPU使用率过高怎么办

**分析思路 **

1. 如何轻松找到CPU使用率过高的进程

通过top、ps 、pidstat等工具

2. 占用CPU高的到底是代码里的那个函数？

perf和GDB
GDB（The GNU Project Debugger），这个功能强大的程序调试利器，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；
perf 是 Linux 2.6.31 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 ，使用 perf 分析 CPU 性能问题，我来说两种用法：
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：

[root@centos7-2 ~]# perf top
Samples: 724 of event 'cpu-clock', Event count (approx.): 125711088
Overhead Shared Object Symbol
45.11% [kernel] [k] generic_exec_single

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1000个 CPU 时钟事件，而总事件数则为 271937500。 采样数需要我们特别注意，如果采样数过少（比如只有十几个），那下面的排序和百分比就没什么实际参考价值了。
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。

4.1.perf命令详解

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
[root@centos7-2 ~]# perf report
Samples: 5K of event 'cpu-clock', Event count (approx.): 1332500000
Overhead Command Shared Object Symbol
97.15% swapper [kernel.kallsyms] [k] native_safe_halt
0.49% swapper [kernel.kallsyms] [k] _raw_spin_unlock_irqrestore
0.36% vmtoolsd libvmtools.so.0.0.0 [.] Backdoor_InOut
0.34% swapper [kernel.kallsyms] [k] __do_softirq
0.17% swapper [kernel.kallsyms] [k] tick_nohz_idle_exit
0.13% swapper [kernel.kallsyms] [k] tick_nohz_idle_enter
0.13% vmtoolsd [kernel.kallsyms] [k] _raw_spin_unlock_irqrestore
0.11% kworker/0:1 [kernel.kallsyms] [k] _raw_spin_unlock_irqrestore
0.11% vmtoolsd libvmtools.so.0.0.0 [.] BackdoorHbOut
0.08% dockerd [kernel.kallsyms] [k] _raw_spin_unlock_irqrestore
0.08% vmtoolsd [kernel.kallsyms] [k] __do_softirq
0.06% kworker/1:2 [kernel.kallsyms] [k] queue_delayed_work_on
0.06% vmtoolsd [kernel.kallsyms] [k] format_decode
0.04% irqbalance [kernel.kallsyms] [k] cap_mmap_file
0.04% kworker/0:0 [kernel.kallsyms] [k] ata_sff_pio_task
0.04% kworker/1:2 [kernel.kallsyms] [k] _raw_spin_unlock_irqrestore
0.04% mysqld mysqld [.] fts_optimize_words
0.04% swapper [kernel.kallsyms] [k] rcu_idle_exit
0.04% vmtoolsd libvmtools.so.0.0.0 [.] BackdoorHbIn
0.02% dockerd [kernel.kallsyms] [k] __do_softirq
0.02% in:imjournal rsyslogd [.] 0x0000000000016f90
0.02% irqbalance [kernel.kallsyms] [k] __fsnotify_parent
0.02% irqbalance [kernel.kallsyms] [k] _raw_spin_unlock_irqrestore
0.02% irqbalance [kernel.kallsyms] [k] copy_user_generic_unrolled
0.02% irqbalance [kernel.kallsyms] [k] native_flush_tlb_single
0.02% irqbalance [kernel.kallsyms] [k] unmap_page_range
Tip: For tracepoint events, try: perf report -s trace_fields