前言：

性能優化是一個老生常談的話題，典型的性能問題如頁面響應慢、接口超時，服務器負載高、並發數低，數據庫頻繁死鎖等。尤其是在“糙快猛”的互聯網開發模式大行其道的今天，隨著系統訪問量的日益增加和代碼的臃腫，各種性能問題開始紛至沓來。

在系統層面能夠影響應用性能的一般包括三個因素：CPU、內存和IO，今天，我們先談談CPU性能的監控以及調優。

CPU性能監控

當程序響應變慢的時候，首先使用top、vmstat、ps等命令查看系統的cpu使用率是否有異常，從而可以判斷出是否是cpu繁忙造成的性能問題。

其中，主要通過us（用戶進程所占的%）這個數據來看異常的進程信息。當us接近100%甚至更高時，可以確定是cpu繁忙造成的響應緩慢。一般說來，cpu繁忙的原因有以下幾個：

• 線程中有無限空循環、無阻塞、正則匹配或者單純的計算

• 頻繁的gc

• 多線程頻繁的上下文切換

top命令

top命令

對於多個或多核cpu，上面的顯示則會是多個cpu所占用的百分比總合。如需查看每個核的消耗情況，可在進入top視圖後按1，就會按核來顯示cpu的使用情況，如上圖。

• us 表示用戶進程處理所占的百分比

• sy 表示為內核線程處理所占的百分比

• ni 表示被nice命令改變優先級的任務所占的百分比

• id 表示cpu的空閑時間所占的百分比

• wa 表示為在執行過程中等待io所占的百分比

• hi 表示為硬件中斷所占的百分比

• si 表示為軟件中斷所占的百分比

• st 表示虛擬cpu等待實際cpu的時間的百分比

vmstat

vmstat命令

• in 每秒CPU的中斷次數，包括時間中斷

• cs 每秒上下文切換次數，這個值要越小越好，太大了，要考慮調低線程或者進程的數目。每次調用系統函數，我們的代碼就會進入內核空間，導致上下文切換，這個是很耗資源，也要盡量避免頻繁調用系統函數。上下文切換次數過多表示你的CPU大部分浪費在上下文切換，導致CPU幹正經事的時間少了，CPU沒有充分利用，是不可取的。

• us 用戶CPU時間。

• sy 系統CPU時間，如果太高，表示系統調用時間長，例如是IO操作頻繁。

• id 空閑 CPU時間，一般來說，id + us + sy = 100,一般我認為id是空閑CPU使用率，us是用戶CPU使用率，sy是系統CPU使用率。

• wt 等待IO CPU時間。

gstat -gcutil

如果發現是Java進程CPU占用過高，可以使用這個命令查看進程是不是正在頻繁GC，如下圖所示。

jstat命令

• S0 — Heap上的 Survivor space 0 區已使用空間的百分比

• S1 — Heap上的 Survivor space 1 區已使用空間的百分比

• E — Heap上的 Eden space 區已使用空間的百分比

• O — Heap上的 Old space 區已使用空間的百分比

• P — Perm space 區已使用空間的百分比

• YGC — 從應用程序啟動到采樣時發生 Young GC 的次數

• YGCT– 從應用程序啟動到采樣時 Young GC 所用的時間(單位秒)

• FGC — 從應用程序啟動到采樣時發生 Full GC 的次數

• FGCT– 從應用程序啟動到采樣時 Full GC 所用的時間(單位秒)

• GCT — 從應用程序啟動到采樣時用於垃圾回收的總時間(單位秒)

問題分析

根據上面提供的幾個常用命令，定位到問題以後，就可以根據具體問題分析其產生的原因了。

CPU瓶頸表現在兩個方面：用戶態CPU瓶頸和系統態CPU瓶頸。運行操作系統內核以外的軟件時導致的瓶頸為用戶態CPU瓶頸，運行操作系統內核的時候導致的瓶頸為系統態CPU瓶頸。

用戶態CPU和系統態CPU時間比率在3:1到4:1之間是正常的。如果在有瓶頸的系統中，用戶和系統時間比率高於這個區間，就應該分析用戶態CPU時間增加的原因。

us過高

當us值過高時，表示運行的應用消耗了大部分的cpu。在這種情況下，對於java應用而言，最重要的是找到具體消耗cpu的線程所執行的代碼，可以采用如下方法。

1.使用gstat -gcutil查看JVM是否頻繁的進行GC。
2.如果根據gcutil查看，GC並不頻繁，請根據《當CPU飆高時，它在做什麽》提供的方式，查看CPU在執行什麽代碼，來定位問題。

sy過高

當sy值過高時，使用vmstat來查看線程切換次數。很可能是linux花費了更多的時間在進行線程切換。java應用造成這種現象的主要原因是啟動的線程比較多， 且這些線程多處於不斷的阻塞（例如鎖等待，io等待）和執行狀態的變化過程中，這就導致了操作系統要不斷的切換執行的線程， 產生大量的上下文切換。

在這種情況下，對java應用而言，最重要的是找出不斷切換狀態的原因， 可采用的方法為通過kill -3 pid 或jstack -l pid的方法dump出java應用程序的線程信息，查看線程的狀態信息以及鎖信息， 找出等待狀態或鎖競爭過多的線程。

CPU調優

設置程序執行的優先級

可以使用nice和renice設置程序執行的優先級。

格式：nice [-n 數值] 命令nice 指令可以改變程序執行的優先權等級。指令讓使用者在執行程序時，指定一個優先等級，稱之為 nice 值。 這個數值從最高優先級的-20到最低優先級的19。

負數值只有 root 才有權力使。 一般使用者，也可使用 nice 指令來做執行程序的優先級管理，但只能將nice值越調越高。

使用ulimit限制cpu占用時間

註意，ulimit 限制的是當前shell進程以及其派生的子進程。因此可以在腳本中調用ulimit來限制cpu使用時間。 例如，限制tar的cpu占用時間，單位秒。

如果tar占用時間超過了100秒，tar將會退出，這可能會導致打包不完全，因此不推薦使用ulimit對cpu占用時間進行限制。 另外，通過修改系統的/etc/security/limits配置文件，可以針對用戶進行限制。

使用程序自帶的對cpu使用調整的功能

某些程序自帶了對cpu使用調整的功能，比如nginx服務器，通過其配置文件，可以為工作進程指定cpu，如下：

這裏0001 0010 0100 1000是掩碼，分別代表第1、2、3、4顆cpu核心，這就使得cpu的使用比較平均到每個核心上。

使用Nginx時，這種優化方式是比較常見的。

閱讀原文

Linux系統CPU的性能監控及調優