【测试沉思录】14. 性能测试中的系统资源分析之一：CPU

作者：马海琴 编辑：毕小烦

在日常的性能测试中，我们除了关注应用本身的性能，比如服务的响应时间、TPS 等，也需要关注服务器本身的资源使用情况，比如 CPU、内存、磁盘、网络等。当然，不光要分析服务器资源，评估应用运行所需要的资源情况，也需要分析服务器资源的异常，找到应用可能存在的问题或者优化方向。

具体应该怎么做呢？本系列文章介绍了 CPU、内存、磁盘、网络的基础知识以及问题的分析方式。本文是第一篇，讲 CPU。

一. CPU

CPU 是Central Processing Unit的缩写，中文也叫中央处理器。它是一块超大规模的集成电路，是硬件系统的核心，是一台计算机的运算核心和控制核心。它的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，能完成算数运算、逻辑运算及控制功能。CPU 就像人体的大脑一样，关键且重要。

CPU 作为系统的关键指标，在任何场合都不能忽视它的重要性。应用上线要评估 CPU 的使用核数，进行合理的资源配置；服务上线之后，也需要时刻监控 CPU 的使用情况，以防资源耗尽影响系统的稳定性；性能测试时，我们更是需要密切关注 CPU 的变化，寻找导致 CPU 异常的场景。

在线上观测或者性能测试当中，当系统出现 CPU 异常或者与预期不一致时，我们可以通过分析 CPU 的具体使用情况，进而找到问题的所在。一般情况下，死锁、频繁的 GC、频繁的上下文切换、线程执行报错、计算密集这些原因都会使 CPU 的使用率飙升。

1.1 怎样通过 CPU 指标定位问题？

什么样 CPU 行为是异常的？

一般情况下，对于新系统，我们一般期望系统的平均可用 CPU 不少于 20%，建议 CPU 使用率在 70% 以下；老系统在用户活跃度没有明显增加的情况下，CPU 较日常同比增幅过大，或者直接飙升超过 80% 。

如何找到 CPU 异常的原因？

分 3 步。

STEP 1. 找到导致 CPU 异常的进程

通过top命令检测到某进程 CPU 占用较高，其中PID即为进程号，我们可以通过这个进程号进一步获取需要的信息。

当然如果已知具体服务，可以直接使用ps -ef | grep pname[进程名称]查看进程号。

STEP 2. 通过进程号获取线程号

通过命令top -Hp pid[进程ID]查看进程中各线程的使用情况，找到 CPU 占用最高的线程号，其中PID即为线程号。

如：

再通过命令printf '0x%x\n' nid[线程ID]将线程号转化为十六进制。

如：

STEP 3. 通过进程号查看进程的堆栈信息，并使用线程号定位指定的线程

定位异常可使用命令：

$ jstack pid[进程ID] | grep nid[十六进制的线程ID] -C10 --color
1

在堆栈中可以定位到影响 CPU 的线程在源码中的文件名称和代码行数，接下来只需要在项目工程中找到该文件的代码行数，分析问题的具体原因，修正即可。

下图例子中，我们可以定位到问题代码在 java 类 MyTest.java 的 78 行。

实际上，我们常用的是将堆栈 dump 下来，然后在本地进行分析。

dump 可使用命令：

$ jstack pid[进程ID] > jstack.txt[文件名称]
1

下图是一个死锁的例子，线程 2 正在等待一个被线程1持有的锁，线程1也在等待一个被线程 2 持有的锁，两者都在等待对方释放锁，造成死锁。

1.2 命令详解

top 命令是一个综合的命令，不仅可以查看 CPU ，还可以查看内存等。接下来，我们详细介绍一下 top 命令的使用和结果。

命令格式

$ top [-][d number][qcSsinb][p pid] 
1

参数解释：

• d : 改变显示的更新速度，默认为 5 秒；
• q : 没有任何延迟的显示速度，如果使用者是有 superuser 的权限，则 top 将会以最高的优先序执行；
• c : 切换显示模式，共有两种模式，一是只显示执行档的名称，另一种是显示完整的路径与名称；
• S : 累积模式，会将己完成或消失的子进程 ( dead child process ) 的 CPU time 累积起来；
• s : 安全模式，将交谈式指令取消，避免潜在的危机；
• i : 不显示任何闲置 (idle) 或无用 (zombie) 的进程；
• n : 更新的次数，完成后将会退出 top；
• b : 批次档模式，搭配 “n” 参数一起使用，可以用来将 top 的结果输出到档案内；
• p：显示指定的进程信息。

结果说明

结果如下：

第一行：概况

与 uptime 执行效果一致

• HH:mm:ss：系统当前时间

• up x days, HH:mm：从开机到此刻的系统运行时间（单位：分钟）

• x user：此刻的登录用户数

• • 可使用who命令查看具体是哪些用户

• load average: x.xx, x.xx, x.xx：系统在1分钟、5分钟、15分钟内的系统平均负载值。

扩展阅读：

1. 什么是系统平均负载？

一段时间内 CPU 正在处理以及等待 CPU 处理的进程数之和的统计信息。

1. 平均负载多大才算好？

• 系统平均负载/CPU核数 < 1 表示 CPU 工作量未达到饱和，还可以处理新的进程，一般不超过 70% 为佳；
• 查看 CPU 核数 cat /proc/cpuinfo | grep 'model name' /proc/cpuinfo | wc -l

1. 1分钟、5分钟、15分钟的平均负载有何差异和意义？

• 如果1分钟的平均负载较高，但是15分钟的平均负载较低，说明系统只是短时间繁忙；
• 如果观察到系统长时间处于高负载运行，就需要进行干预和处理了。

第二行：进程信息

• x total：所有进程数

• x running：正在运行的进程数

• x sleeping：休眠进程数

• x zombie：僵尸进程数

• • 僵尸进程是指子进程结束，而父进程未响应，导致父进程没有回收子进程，释放子进程占用的资源，那么此时子进程就会成为一个僵尸进程。

第三行：CPU 状态

%Cpu(s)：表示当前 CPU 的平均值，默认 top 命令配置显示的是平均的 CPU 使用情况，如果按下键盘1可以显示各个逻辑 CPU 的使用情况。

• x.x us：user space，用户空间消耗 CPU 时间百分比，通常用户 CPU 高表示有应用程序比较繁忙；
• x.x sy：sysctl，内核空间消耗 CPU 时间百分比；
• x.x ni：niced user processes，改变过优先级的用户进程占用的 CPU 百分比；
• x.x id：System Idle Process，空闲 CPU 时间百分比；
• x.x **wa**：wait space，CPU 在等待 I/O 操作完成所花费的时间，通常该指标越低越好，否则表示 I/O 存在瓶颈，可以在使用 iostat、sar 等命令做进一步分析；
• x.x hi：hardware interrupt，处理硬中断的 CPU 时间百分比。硬中断是由外设硬件(如键盘控制器、硬件传感器等)发出的，需要有中断控制器参与，特点是快速执行；
• x.x si：software interrupt，处理软中断的 CPU 时间百分比。软中断是由软件程序(如网络收发、定时调度等)发出的中断信号，特点是延迟执行；
• x.x st：steal time，等待 CPU 资源的时间百分比。仅出现在多虚拟机场景。如果该指标过高，可以检查下宿主机或其他虚拟机是否异常。

第四行：内存状态

可用内存=free + buffer + cached

• xxx total：物理内存总量
• xxx free：空闲物理内存量
• xxx used：已使用物理内存量，还包括过去使用过的现在可以被重复利用的内存，内核并不把这些可被重新使用的内存交还到 free 中去，因此在 linux 上 free 内存会越来越少，但不用为此担心
• xxx buff/cache：缓存的内存量

第五行：交换区状态

• xxx total：交换区总量
• xxx free：空闲交换区总量
• xxx used：已使用交换区总量，如果这个数值在不断的变化，说明内核在不断进行内存和 swap 的数据交换，这是真正的内存不够用了；
• xxx avail Mem：缓冲的交换区总量，可用于进程下一次分配的物理内存数量。

从第六行开始：进程详细信息

默认各进程是按照 CPU 的占用量从高到低进行排序

• PID：进程 PID

• USER：进程所有者的用户名

• PR：进程调度优先级，值越低优先级越高

• NI：从用户空间视角的进程优先级（niced值），值越低优先级越高；

• VIRT：进程使用的虚拟内存（KB），VIRT=SWAP+RES

• RES：进程使用的（未被换出的）物理内存（KB），RES=CODE+DATA

• SHR：共享内存大小（KB）

• S：进程状态

• • D：不可中断的睡眠状态（通常出现在IO阻塞）
  • R：运行态
  • S：睡眠态
  • T：跟踪/停止
  • Z：僵尸态

• %CPU：进程占用 CPU 时间比例

• %MEM：进程占用的物理内存比例

• TIME+：进程占用 CPU 的时间总量（1/100秒），而非进程的存活时间。所以可能存在 TIME+大于程序运行时间，也可能小于程序运行时间，这两没有必然的关系。

• COMMAND：运行进程使用的命令

快捷操作

• 1 ：可以监控每个逻辑 CPU 的状况
• b ：打开关闭加亮效果，在打开加亮的效果之后，我们可以按x键实现列的加亮效果
• P：以CPU的使用资源排序显示
• M：以内存的使用资源排序显示
• N：以pid排序显示
• T：由进程使用的时间累计排序显示
• S：切换到累计模式
• k：给某一个 pid 一个信号。可以用来杀死进程
• r：给某个 pid 重新定制一个 nice 值（即优先级）
• d：可以更改刷新时间（默认3秒）
• s：改变两次刷新之间的延迟时间（单位为s）
• i：可以只显示状态为R的进程
• c：可以显示进程的完整的命令（COMMAND列）
• shift + >：可以依次按照 PID、USER、PR····· 来进行排序。
• shift + <：可以依次按照 COMMAND、TIME+、%MEM····· 来进行排序
• o/O：可以自定义显示哪些列
• f/F：从当前显示中添加或者删除项目
• l：切换显示平均负载和启动时间信息
• m：切换显示内存信息
• t：切换显示进程和CPU状态信息
• W：将当前设置写入~/.toprc文件中
• q：退出 top（用ctrl+c也可以退出 top）

top -s以安全模式启动top界面，可以防止在 top 界面对进程进行修改操作。

（完）

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