性能测试瓶颈：CPU 问题的深度分析和调优方法

前言

我们做性能测试的时候，除了使用工具编写脚本并执行之外，最核心的工作就是做性能测试结果分析和问题调优。然后在做性能测试的时候，非常常见的一类问题就是CPU的问题。所以，要专业做性能测试就免不了要深入学习一下CPU的原理和常见的分析和监控的命令。

CPU的介绍

概念：CPU（中央处理器：Central Processing Unit)），是一块超大规模的集成电路，是计算机的运算核心【拿到数据后先计算】和控制核心【然后再根据计算结果去控制】。

功能：主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。电脑中所有操作都由CPU负责读取指令，对指令译码并执行指令的核心部件。

计算机程序编译后 0101二进制代码，CPU接受到这个指令，解释指令拿到数据，处理数据。

CPU由3个模块组成，三个部分由内部总线连接起来：

控制单元：根据计算结果去控制数据的流向，把内存的指令、数据读入寄存器，控制计算机

运算单元：拿到数据先计算数据

存储单元：临时的数据存储在存储单元，比磁和-内存更小，速度更快。

CPU的信息查看命令

我们搭建好性能测试环境后，进行性能测试之前，最好能先去看一下服务器CPU的基本信息和参数。所以，我们先来学习几个CPU查看的命令。

1、查看物理CPU的个数：cat /proc/cpuinfo

通过上图：这个虚拟机的物理cpu2个，每个物理cpu的逻辑CPU个数为1个，所以逻辑CPU的个数就是2个。

2、也可以直接用命令：cat /proc/cpuinfo| grep "processor"| wc -l 查看逻辑CPU的个数。

wc -l: wc 是一个命令，用于计算文件中的字节数、字数和行数。-l 选项告诉 wc 只计算行数。

3、通过lscpu命令查看：显示CPU制造商、架构、CPU数量、型号、主频以及缓存等信息。

Sockets=物理cpu

Cores per Socket=一个插槽上CPU核数

Threads per core=每个核上超线程数

CPUs=逻辑cpu

CPU关注性能指标

我们真正需要重点学习的是CPU在性能测试的时候，我们分析应该关注哪些指标。这个是性能分析的关键。如下图所示：

关注指标1：CPU使用率

CPU使用率是我们最直观能看到的指标，所以会优先去关注。CPU利用率行业内标准是一般不要超过75%，如果超过了就需要分析原因，并找到问题和调优了。

CPU使用率=非空闲时间占总CPU时间的百分比， 越高说明CPU越繁忙，就可能需要进行性能问题分析和调优。

我们需要关注的是CPU非空闲部分，具体可以细分如下，加粗部分是重点：

%us：用户 CPU，比如java程序，应用程序等：用户态使用CPU的百分比（user）。用户CPU使用率高，通常说明有应用程序比较繁忙。

%sy：系统CPU：表示CPU在内核态运行的时间百分比。系统CPU 使用率高，说明内核比较繁忙。

%iowait：等待I/O：表示等待I/O的时间百分比。iowait高，说明系统与硬件设备的I/O 交互时间比较长，比如跟键盘、网卡、显示器等交互。

ni【软/硬中断】：分别表示内核调用软中断处理程序、硬中断处理程序的时间百分比。它们的使用率高，通常说明系统发生了大量的中断。

• 当CPU的时间分片正在处理某个任务还没完成时钟时间的时候，突然收到硬中断或软中断指令，CPU被打断需要去响应，才能继续执行任务；

• 如果ni参数很高，说明中断的数量很多，说明CPU不停的被打扰，需要分析是什么中断。一般ni比较高的情况比较少，不过ni高也会导致sy【内核占比】比较高，是环环相扣的，要能分析。

%st/gu：steal/guest：在虚拟化环境中会用到的窃取CPU使用率(steal）和客户CPU使用率（guest），分别表示被其他虚拟机占用的CPU时间百分比，和运行客户虚拟机的CPU时间百分比。

• 这两个一般比较低，不会成为cpu的瓶颈 不太需要关注

%id：空闲 CPU百分比，CPU使用率 = (100-id)%

• 比较简单的算法：100% - id% = CPU使用率

关注指标2：平均负载

平均负载指系统的平均活跃进程数，一个时间段内平均有多少进程数在活跃，跟cpu核数做比较，算出繁忙情况；这是服务器性能的重点关注值，一般CPU的使用率高的话，平均负载也是高的。

主要包括三个数值，过去1、5、15钟的平均负载。可以通过这三个值看到负载整体的趋势。

逐步降低，是CPU后来越来越空闲；逐步增加，CPU越来越繁忙；或者持平，就是CPU稳定。

理想情况下，平均负载=逻辑 CPU个数，这表示每个CPU都恰好被充分利用；如果大于逻辑 CPU 个数，就表示负载较重；如果平均负载的值高于CPU的3- 5倍 ，那么很有可能CPU存在瓶颈，就需要分析和调优。

关注指标3：上下文的切换cs

系统内核和应用存储共用CPU的内核，就会需要不停的争抢资源，就会出现上下文切换。

上下文切换多了不是好事儿，过多的上下文切换，会将原本运行进程的CPU时间，消耗在寄存器、内核栈以及虚拟内存等数据的保存和恢复上，很少有时间真正计算和处理数据，减少和缩短了进程真正运行的时间，通常会导致CPU内核【sy】消耗资源比较高，会成为性能瓶颈，需要优化。

性能的基本Linux命令

了解CPU需要关注的性能指标，那么在性能测试执行的时候，如何去监控这些指标呢？我们就需要通过一些常用的监控命令了。

1、top命令：常用的性能分析工具，能够实时显示系统中各个进程的资源占用状况

上图就是top命令的结果显示，我们来一一分析：

第一行数据：

当前系统时间，启动运行了多长时间。

2 users, 有多少个终端用户连接， 不代表多少个账户 【同一个账户 多个终端也算】

load average：服务器性能的重点关注值，系统过去1分钟的平均负载、 过去5分钟的平均负载、 过去15分钟的平均负载

• 前面我们讲到过，如果平均负载大于CPU数量，甚至达到3- 5倍cpu数量，说明系统负载非常大了。这个时候才会需要去观察下面的详细数据分析原因。

第二行数据：默认是进程数，可以切换为线程数

总进程数，正在运行的进程数，休眠的进程数 。

按下H， 切换为 Threads 当前总线程数 。

第三行数据：CPU的使用情况，这个是重点。

%CPU(s):是CPU使用率的平均值，合并cpu的统计数据，是所有数量cpu的总情况。

us, CPU的用户态使用时间占比 【应用程度和代码逻辑在用户态计算】，如果这个高。很可能代码逻辑复杂

sy, cpu的系统态使用时间占比 【系统内核】

ni, 中断占用cpu的情况，如果发生中断，优先级更高的中断了当前的事情

id, idle 空闲【 不会超过100】

wa, IOwait等待IO操作的操作状态的时间占比 ，当我们io繁忙时，这个数值一般会非常明显。

hi, hard interrupt 硬中断 ，保存和打开数据占用cpu时间

si, soft interrupt 软中断，保存和打开数据占用cpu时间

• hi + si = ni的值

st：steal，其他的虚拟机占用CPU的时间 ，这个基本不用关注。

总结：这行数据会优先看id数据，如果id很大，不用分析；id小，再去看us 和sy：

• 如果us 很高，一般要分析代码逻辑

• 如果sy很高，要看看ni的值，ni很高的话，就要进一步分析hi si的值 看哪个中断高。

第四行数据：内存的使用情况，后面我们分析内存性能问题的时候再详细讲。

总的内存，空闲内存。使用的内存，buff和cache内存

• buff 【缓冲区：磁盘虚拟出来 加快磁盘读取数据速度】

• cache 【缓存：虚拟的 加快内存数据交换速度的】

• swap：交换区

• avali：可用于下一次的物理内存总量

进程列表详细数据：默认都是进程

pid 进程id

USER 进程的归属者， 这个进程启动用户

PR 进程优先级，数字越大优先级高的话可以优先使用资源 ----性能不太关注 影响不大

NI 进程优先级切换，跟PR共同决定了进程的优先级 ---性能不太关注 影响不大

VIRT：这个进程分配的虚拟内存

RES：实际物理内存

SHR ：共享内存会详细讲

S: status，进程的状态，可以是R S 等

%CPU 这个进程占用了多少的cpu使用率 -----这个数值，在CPU为多核时候，是可以超过100

• 进程列表中，默认排序规则，是根据 %CPU 数值从高到低的排序

• 如果某个进程占用CPU高于75% 需要单独拎出来分析

%MEM 这个进程占用内存率，后面讲解。

TIME+：这个进程占用CPU的总的时间，如果这个进程经常需要CPU进行计算和处理，这个时间就会很大。

COMAND: 这个进程通过哪个命令启动的。

2、mpstat：进程相关的统计报告信息，跟top命令里信息类似。

这个命令Linux系统不自带，需要安装，安装命令 ：yum install -y sysstat

1）mpstat 1 10 ：1s刷新一次数据，实时监控工具，主要报告与cpu相关统计信息，这个CPU是所有CPU的平均整合情况；总共打印10次。

结果里显示的信息跟top命令里基本一样，就不详细赘述介绍了。

3、pidstat：监控全部或指定进程的某个进程查看cpu、内存、线程、设备io等资源占用情况和上下文切换信息。重点在于上下文切换。

同样不是系统自带的命令，需要额外安装：yum install sysstat -y

监控全部或指定进程的cpu、内存、线程、设备io等资源占用情况和上下文切换信息，用来实时查看进程的CPU、内存、I/O以及上下文切换等指标信息

一般会加一些参数来使用pidstat命令：pidstat -u -w -p pid ，过滤指定的进程的信息显示。

-u: CPU的信息，-w【switch】，-p 【指定进程id】

这个命令里我们会重点看上下文切换信息，上下文切换包括资源上下文切换和非资源切换：

• cswch/s ：自愿上下文切换 :，资源不够资源切换

• nvcswch/s：非自愿上下文切换 ，时钟周期+中断等被迫切换

如果这个上下文切换高，那么CPU的sy一般会比较高， 就需要去定位原因了。

4、vmstat ：虚拟内存统计的缩写，很强大的命令，基本涵盖了所有监控的信息，可对虚拟内存、进程、cpu活动进行监控。

vmstat 1 5 : 间隔1秒钟刷新一次，总共收集5次 就结束，显示结果如下：

procs: r 显示多少进程在等待，b 显示多少进程在不可中断的休眠

memory: swpd 显示多少块被换出磁盘，free显示剩下的空闲块，buff正在被用作缓冲区的块，cache正在被用作操作系统的缓存

swap: 现在交换活动， si 每秒有多少块正在被换入内存 so正在被换出到磁盘

io: 显示了多少块从块设备读取（bi）和写出（bo）,通常反映了硬盘I/O的繁忙程度

system: 显示每秒中断(in)和上下文切换（cs）的数量

cpu:显示所有的cpu时间花费在各类操作的百分比，包括执行用户代码（非内核），执行系统代码（内核），空闲以及等待IO

5、iostat 显示设备，分区和网络文件系统的CPU统计信息和输入/输出统计信息 [需要额外安装]

重点的参数：

-c 显示CPU使用率报告

-d 显示设备【磁盘】使用率报告

-k 以每秒千字节显示统计报告

-m 以每秒兆字节显示统计报告

-x 显示扩展统计信息

结果显示：

Device: 磁盘信息

rrqm/s ：读磁盘队列数量

wrqm/s 写磁盘队列数量

r/s w/s 每秒的读\写的请求次数

rMB/s wMB/s 每秒读\写磁盘的大小

avgrq-sz 平均请求磁盘扇区数

avgqu-sz 等待队列的大小

await r_await w_await 等待

svctm 请求用的时间

%util 至少有一个活跃的 读写操作的时间占比

6、dstat 是一个用来替换vmstat、iostat等命令的工具，功能比较全，有彩色的界面

安装：yum install dstat -y

参数：

-c：cpu监控

-m: 内存

-d：disk 磁盘

-n：net 网络

-l：load 系统负载

-y：system ，系统

-r: io

-t: 加上时间显示

7、sar：几乎可以统计服务器的所有信息

-B 分页状况

-b I/O 和传输速率信息

-d 块设备状况

-I 中断信息状况

-n 网络统计信息

-q 系统负载压力统计

-r 内存利用率信息

-u CPU利用率信息