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-$(uname -r)CONFIG_HZ=250 同时 ， 正因为节拍率 HZ 是内核选项，所以用户空间程序并不能直接访问 。为了方便用户空间程序 ， 内核还提供了一个用户空间节拍率 USERHZ，它总是固定为 100，也就是 1/100 秒 。这样 ， 用户空间程序并不需要关心内核中 HZ 被设置成了多少，因为它看到的总是固定值 USERHZ 。
Linux 通过 /proc 虚拟文件系统，向用户空间提供了系统内部状态的信息 ， 而 /proc/stat 提供的就是系统的 CPU 和任务统计信息 。比方说，如果你只关注 CPU 的话，可以执行下面的命令：
# 只保留各个CPU的数据$ cat /proc/stat | grep ^cpucpu 280580 7407 286084 172900810 83602 0 583 0 0 0cpu0 144745 4181 176701 86423902 52076 0 301 0 0 0cpu1 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?。?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：
# 默认每3秒刷新一次$ toptop - 11:58:59 up 9 days, 22:47, 1 user, load average: 0.03, 0.02, 0.00Tasks: 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 stKiB Mem : 8169348 total, 5606884 free, 334640 used, 2227824 buff/cacheKiB Swap: 0 total, 0 free, 0 used. 7497908 avail MemPID 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 。
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 topSamples: 833 of event 'cpu-clock', Event count (approx.): 97742399Overhead Shared Object Symbol7.28% perf [.] 0x00000000001f78a44.72% [kernel] [k] vsnprintf4.32% [kernel] [k] module_get_kallsym3.65% [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 。
# 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
