1.CPU使用率

Linux作为一个多任务操作系统，将每个CPU的时间划分为很短的时间片，再通过调度器轮流分配给各个任务使用，因此造成多任务同时运行的错觉。
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的数值。
可以在/boot/config文件下查看对应的配置值。

  1. [root@localhost ~]# grep "CONFIG_HZ" /boot/config-3.10.0-1160.15.2.el7.x86_64 
  2. # CONFIG_HZ_PERIODIC is not set
  3. # CONFIG_HZ_100 is not set
  4. # CONFIG_HZ_250 is not set
  5. # CONFIG_HZ_300 is not set
  6. CONFIG_HZ_1000=y
  7. CONFIG_HZ=1000
  8. 节拍率设置成了1000，也就是每秒触发1000次时间中断

同时，正因为节拍率是内核选项，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，空间用户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。
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：

  2. [root@localhost ~]# cat /proc/stat | grep ^cpu
  3. cpu  874610 53 821410 353430723 148102 0 21072 0 0 0
  4. cpu0 425415 25 444857 176637439 73200 0 6996 0 0 0
  5. cpu1 449194 28 376552 176793284 74901 0 14075 0 0 0
  7. 其中第1列是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
  8. 不同场景下CPU的累加节拍数。它的单位事USER_HZ，也就是10ms。所以这就是不同场景下的CPU时间。

CPU使用率的相关指标：

  • user（通常缩写为us）：代表用户态CPU时间。不包括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的CPU时间，也就是进程的nice值被调整为1-19之间的CPU时间。这里需要注意的是：nice可取值的范围是-20到19，数值越大，优先级越低。
  • system（通常缩写为sys）：代表内核态的CPU时间。
  • idle（通常缩写为id）：代表空闲时间，不包括等待I/O的时间（iowait）。
  • 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：
CPU使用率=1-（空闲时间/总CPU时间）
根据这个公式，我们就可以从/proc/stat中的数据，很容易计算出CPU使用率。当然也，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。
但是如果直接使用/proc/stat的数据，算的是开机以来的节拍数累加值，所以直接算出来的，是开机以来的平均CPU使用率，一般没啥价值。
所以，为了计算CPU使用率，性能工具一般都会取间隔一段时间（比如3秒）的两次值，作差后，再计算出这段时间内的平均CPU使用率，即：
平均CPU使用率=1-(空闲时间(new)-空闲时间(old)/ 总CPU时间(new)-总CPU时间(old))
这个公式，就是我们用各种性能工具所看到的CPU使用率的实际计算方法。
现在，我们知道了系统CPU使用率的计算方法，那进程的呢？跟系统的指标类型，Linux也给每个进程提供了运行情况的统计信息，也就是/proc/[pid]/stat。不过，这个文件包含的数据就比较丰富了，总共有52列数据。
当然CPU的使用率不一定就需要从/proc/stat或者/proc/[pid]/stat这两个文件中读取，因为各种各样的性能工具已经帮我们计算好了，不过要注意的是，性能分析工具给出的都是间隔一段时间的平均CPU使用率，所以要注意间隔的设置。特别是用多个工具对比分析时，一定要保证他们用的是相同的间隔。

2. 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情况。
ps：则只显示了每个进程的资源使用情况

top的输出格式为：

  1. 默认每3秒刷新一次：
  2. [root@localhost ~]# top 
  3. top - 09:33:21 up 21 days, 10:22,  1 user,  load average: 0.00, 0.01, 0.05
  4. Tasks: 183 total,   1 running, 182 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
  5. %Cpu0  :  0.0 us,  0.0 sy,  0.0 ni,100.0 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
  6. %Cpu1  :  0.0 us,  0.3 sy,  0.0 ni, 99.7 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
  7. KiB Mem :  2027892 total,   201460 free,   504108 used,  1322324 buff/cache
  8. KiB Swap:  2097148 total,  2066428 free,    30720 used.  1286460 avail Mem 
  10.    PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU %MEM     TIME+ COMMAND                                                      
  11.   1390 freeswi+  -2 -10 1296352  35700   3660 S   0.7  1.8 194:18.22 freeswitch                                                   
  12.   1347 mysql     20   0 1119884 179528    636 S   0.3  8.9  12:07.50 mysqld                                                       
  13. 106800 root      20   0  162104   2324   1592 R   0.3  0.1   0:00.03 top                                                          
  14.      1 root      20   0  125764   2904   1708 S   0.0  0.1   0:47.51 systemd                                                      
  15.      2 root      20   0       0      0      0 S   0.0  0.0   0:00.18 kthreadd                                                     
  16.      4 root       0 -20       0      0      0 S   0.0  0.0   0:00.00 kworker/0:0H                                                 
  17.      6 root      20   0       0      0      0 S   0.0  0.0   0:12.70 ksoftirqd/0 
  20. 可使用数字1切换总的CPU使用率和平均每个CPU的使用率
  22. 在空白行之后，是进程的实时信息，每个进程包含一个%CPU列，表示进程的CPU使用率，它是用户态和内核态
  23. 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
  24. 行的CPU。在虚拟化环境中，他还包括了运行虚拟机占用的CPU。

到此，可以发现，top并没有细分进程的用户态CPU和内核态CPU。可以使用mpstat命令。

  1. [root@localhost ~]# mpstat -P ALL 5 
  2. Linux 3.10.0-1160.15.2.el7.x86_64 (localhost.localdomain)     05/22/2021     _x86_64_    (2 CPU)
  4. 11:35:05 AM  CPU    %usr   %nice    %sys %iowait    %irq   %soft  %steal  %guest  %gnice   %idle
  5. 11:35:10 AM  all    0.00    0.00    0.10    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00   99.90
  6. 11:35:10 AM    0    0.00    0.00    0.20    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00   99.80
  7. 11:35:10 AM    1    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00  100.00
  9. %usr：用户态CPU使用率
  10. %system：内核态CPU使用率
  11. %guest：运行虚拟机CPU使用率
  12. %CPU：总的CPU使用率
  13. %wait：等待CPU使用率

3.CPU使用率过高怎么办

perf是一款性能分析工具，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。
第一种用法是perf 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。

  1. [root@localhost ~]# perf top 
  3. Samples: 1K of event 'cpu-clock', 4000 Hz, Event count (approx.): 78812852 lost: 0/0 drop: 0/0                                     
  4. Overhead  Shared Object            Symbol                                                                                          
  5.   28.61%  [kernel]                 [k] _raw_spin_unlock_irqrestore
  6.    9.73%  [kernel]                 [k] clear_page
  7.    6.85%  [kernel]                 [k] finish_task_switch
  8.    6.84%  perf                     [.] __symbols__insert
  9.    3.00%  [kernel]                 [k] __mem_cgroup_commit_charge
  10.    2.57%  perf                     [.] rb_next
  11.    2.47%  [kernel]                 [k] copy_user_generic_unrolle
  13.    输出结果中，第一行中包含3个数据，分别是采样数(samples)、事件类型、