聊聊性能指標CPU利用率如何計算的？
CPU 利用率，又稱 CPU 使用率。顧名思義，CPU 利用率用于描述 CPU 的運行情況，反映了一段時間內 CPU 被程序占用的情況。使用率越高，表示計算機在該時間段內運行了更多的程序，反之則較少。CPU 的利用率與其性能直接相關。
現(xiàn)代操作系統(tǒng)如 Windows、Linux 和 MacOS 都是多用戶、多任務的分時操作系統(tǒng)。這意味著多個用戶可以在同一時間“同時”進行多項操作，這已經(jīng)成為我們日常生活的一部分，顯得非常普遍。然而，在單個 CPU 計算機中，實際上同一時間只能處理一項任務。
為了實現(xiàn)看似“同時處理多項任務”的效果，分時操作系統(tǒng)將 CPU 時間劃分為長度基本相同的時間片段，也就是“時間片”。操作系統(tǒng)通過管理這些時間片，依次分配給各個用戶使用。
如果某個作業(yè)在其分配的時間片結束前沒有完成，該作業(yè)會被暫停，釋放 CPU，等待下一個時間片再繼續(xù)執(zhí)行。此時 CPU 會被分配給另一個作業(yè)使用。由于計算機處理速度非常快，適當設置時間片的長度使得用戶在時間片間隙感知不到停頓，仿佛整個系統(tǒng)是在獨占 CPU 一樣。
因此，我們提到的 CPU 占用率通常指的就是 CPU 在時間片內被占用的情況。
查看 CPU 利用率
在 Linux 系統(tǒng)中，確實可以使用一些命令來查看系統(tǒng)的負載情況和 CPU 利用率。這些命令包括：
- uptime: 顯示系統(tǒng)的運行時間以及平均負載。
- top: 實時顯示系統(tǒng)中各個進程的資源占用情況，包括 CPU 利用率、內存占用等。
- w: 顯示當前登錄用戶和各用戶的活動信息，包括登錄時間、運行的命令等。
- vmstat: 報告系統(tǒng)的虛擬內存統(tǒng)計信息，包括 CPU 利用率、內存利用率、磁盤 I/O 等。
這些命令在終端中執(zhí)行后，可以幫助管理員實時監(jiān)控系統(tǒng)的性能和資源使用情況，從而及時進行調整和優(yōu)化。
vmstat 命令
vmstat 命令是 Linux/Unix 系統(tǒng)中常見的監(jiān)控工具，能夠展示在指定時間間隔內服務器的各種狀態(tài)值，包括 CPU 利用率、內存使用情況、虛擬內存交換情況以及 IO 讀寫情況。
~ vmstat
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- --system-- -----cpu-----
r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st
0 1 0 2446260 0 3202312 0 0 201 16304 1 6 0 0 84 5 1從上述結果中，我們可以獲取大量信息，但本文重點關注 CPU 部分的指標。
us sy id wa st
0 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(zhí)行時間百分比。
- %sy: 內核系統(tǒng)進程執(zhí)行時間百分比。
- %id: 空閑時間百分比。
- %wa: IO 等待時間百分比。
- %st: 虛擬 CPU 等待實際 CPU 的時間百分比。
當%us 較高時，表示用戶進程占用了大量 CPU 時間。然而，如果長期超過 50%，則需要考慮優(yōu)化程序算法或加速處理。
高%sy 表明系統(tǒng)內核消耗了大量 CPU 資源，這不利于系統(tǒng)正常運行，應當尋找問題根源。
%wa 的高值表示 IO 等待較為嚴重，可能是由于磁盤隨機訪問頻繁或磁盤性能瓶頸引起的塊操作問題。
通常使用 vmstat 工具時，需要指定兩個數(shù)值參數(shù)。第一個參數(shù)表示采樣的時間間隔，單位為秒；第二個參數(shù)表示采樣的次數(shù)。
~ vmstat 2 2
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- --system-- -----cpu-----
r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st
0 0 0 2479444 0 3165172 0 0 196 15905 2 8 0 0 84 5 11
0 0 0 2479404 0 3165176以上命令表示采集兩次數(shù)據(jù)，每隔 2 秒采集一次。
top 命令
top 命令是 Linux 系統(tǒng)下常用的性能分析工具，能夠實時顯示系統(tǒng)中各個進程的資源占用情況，類似于 Windows 中的任務管理器。
~ top
top - 10:58:07 up 18:13, 1 user, load average: 0.32, 0.24, 0.19
Tasks: 64 total, 1 running, 63 sleeping, 0 stopped, 0 zombie
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
Mem: 8388608k total, 5928076k used, 2460532k free, 0k buffers
Swap: 16777216k total, 0k used, 16777216k free, 3181996k cached
PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND
2393 admin 20 0 5056m 2.2g 56m S 4.3 27.6 79:06.21 java
1054 root 20 0 338m 9760 5112 S 0.3 0.1 2:37.30 logagent從上述打印信息中，我們可以看到第三行反映了當前 CPU 的整體情況。
此外，我們還能觀察到 ID 為 2393 的 Java 進程當前內存使用率最高，約占 4.3%。
由于 Java 是多線程的，有時候我們希望能夠查看一個 Java 進程中所有線程的 CPU 使用情況，這也可以通過 top 命令來實現(xiàn)。
~ top -Hp 1893
PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND
19163 admin 20 0 5056m 2.2g 56m S 1.7 27.6 17:39.97 java
10649 admin 20 0 5056m 2.2g 56m S 0.7 27.6 4:07.64 java
5884 admin 20 0 5056m 2.2g 56m S 0.3 27.6 2:18.19 java
10650 admin 20 0 5056m 2.2g 56m S 0.3 27.6 1:24.77 java通過執(zhí)行top -Hp 1893命令，我們可以發(fā)現(xiàn)，當前進程 ID 為 1893 的 Java 進程中，線程 ID 為 19163 的線程占用 CPU 最高，大約達到 1.7%。
PS：top 命令的輸出結果是動態(tài)變化的，會隨著系統(tǒng)情況的變化實時更新。
CPU 使用率的計算邏輯
描述系統(tǒng) CPU 使用情況主要包括以下幾個方面：
- user: 自系統(tǒng)啟動以來，CPU 處于用戶態(tài)運行的時間，不包括 nice 值為負的進程。
- nice: 自系統(tǒng)啟動以來，CPU 中 nice 值為負的進程占用的時間。
- system: 自系統(tǒng)啟動以來，CPU 處于內核態(tài)運行的時間。
- idle: 自系統(tǒng)啟動以來，CPU 除了 iowait 以外的空閑等待時間。
- iowait: 自系統(tǒng)啟動以來，CPU 等待 IO 操作完成的時間。
- irq: 自系統(tǒng)啟動以來，CPU 處理硬中斷花費的時間。
- softirq: 自系統(tǒng)啟動以來，CPU 處理軟中斷花費的時間。
- steal: 自系統(tǒng)啟動以來，CPU 被其他虛擬環(huán)境中的操作系統(tǒng)“偷走”的時間。
- guest: 自系統(tǒng)啟動以來，CPU 運行在通過 Linux 內核控制的客戶操作系統(tǒng)上的虛擬 CPU 的時間。
- guest_nice: 自系統(tǒng)啟動以來，CPU 運行在通過 Linux 內核控制的客戶操作系統(tǒng)上的 nice 值為負的虛擬 CPU 的時間。
理解了以上參數(shù)的含義，計算某段時間內的 CPU 使用率并不復雜。假設我們有兩個時間點，t1 和 t2，可以通過以下公式來計算 CPU 在這段時間內的總使用時間：
( 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：
(idle2 -idle1)CPU 在 t1 和 t2 時間內的使用率：
CPU非空閑時間/CPU總時間*100%=（1-CPU的空閑時間/CPU總時間）*100%則：
CPU(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))CPU 利用率和負載
很多朋友常常分不清楚 CPU 利用率和負載之間的區(qū)別與聯(lián)系。
CPU 利用率是對某一時間段內 CPU 使用情況的統(tǒng)計，通過這個指標可以了解 CPU 在特定時間段內被使用的情況。
而 CPU 負載（Load）則是對某一時間段內 CPU 正在處理和等待處理的進程數(shù)之和的統(tǒng)計信息，也可以理解為 CPU 使用隊列的長度統(tǒng)計。
可以用一個比喻來解釋，將 CPU 的使用比作排隊打電話：
我們可以將 CPU 比喻為一個電話亭，每一個進程就像是需要打電話的人。假設有一個單核計算機，現(xiàn)在有 10 個人需要使用電話（代表 10 個進程）。電話使用規(guī)則是管理員按順序給每個人分配 1 分鐘的通話時間。如果一個人在 1 分鐘內完成通話，他可以將電話交還給管理員。但如果在 1 分鐘內沒有完成通話，他需要重新排隊等待再次分配。在電話亭使用過程中，會有人打完電話離開，有人沒打完電話選擇重新排隊，也會有新人來排隊，這種人數(shù)的變化就相當于任務數(shù)的增減。
CPU 負載統(tǒng)計了一段時間內所有正在使用電話的人以及等待分配電話的人數(shù)的平均值。為了得到平均負載情況，我們每 5 分鐘統(tǒng)計一次人數(shù)，并在第 1、5、15 分鐘時取平均值，從而得到 1、5、15 分鐘的平均負載。
而 CPU 利用率則統(tǒng)計了進程實際使用電話的時間與在電話亭內停留的總時間的比率。例如，一個用戶獲得了 1 分鐘的使用權，在 10 秒內打了電話，接著花了 20 秒查電話簿，剩下的 30 秒又打了一個電話。那么他的利用率就是(10+30)/60。
Java Web 應用 CPU 使用率飆高排查思路
當發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的 CPU 使用率突然升高，首先需要確定是哪個進程造成了 CPU 負載的增加。在 Java 代碼中，導致 CPU 占用高的原因可能包括以下幾點：
- 內存泄漏導致大量 Full GC：例如典型的 Java 1.7 之前的 String.subString 方法可能會導致內存泄漏問題，進而引發(fā)頻繁的 Full GC 操作。
- 代碼中存在死循環(huán)：特別是在多線程場景下，使用不當?shù)臄?shù)據(jù)結構如 HashMap 可能導致死循環(huán)，使得某些線程消耗大量 CPU 資源。
解決這些問題的基本步驟是首先定位占用 CPU 較多的進程和線程，然后通過相應的命令查看這些線程的執(zhí)行情況，并分析代碼以定位問題。關鍵在于熟練使用 jstack、jstat 以及 jmap 等工具來定位和解決 Java 進程中的問題。
那么如何在真實環(huán)境中排查 CPU 飆高的問題呢？由于本篇幅過長，感興趣的小伙伴可以關注，下期出。
