序言

CPU 使用率是最直觀和最常用的系統性能指標，更是我們在排查性能問題時，通常會關注的第一個指標。

節拍率

為了維護 CPU 時間，Linux 通過事先定義的節拍率（內核中表示為 HZ），觸發時間中斷，并使用全局變量 Jiffies 記錄了開機以來的節拍數。

為了維護 CPU 時間，Linux 通過事先定義的節拍率（內核中表示為 HZ），觸發時間中斷，并使用全局變量 Jiffies 記錄了開機以來的節拍數。每發生一次時間中斷，Jiffies 的值就加 1。

節拍率 HZ 是內核的可配選項，可以設置為 100、250、1000 等。不同的系統可能設置不同數值，每發生一次時間中斷，Jiffies 的值就加 1。例如，我們測試機上

adb pull /proc/config.gz . gzip -C config.gz cat config | grep CONFIG_HZ # CONFIG_HZ_PERIODIC is not set # CONFIG_HZ_100 is not set # CONFIG_HZ_250 is not set CONFIG_HZ_300=y # CONFIG_HZ_1000 is not set CONFIG_HZ=300

同時，正因為節拍率 HZ 是內核選項，所以用戶空間程序并不能直接訪問。

為了方便用戶空間程序，內核還提供了一個用戶空間節拍率 USER_HZ，它總是固定為 100，也就是 1/100 秒。這樣，用戶空間程序并不需要關心內核中 HZ 被設置成了多少，因為它看到的總是固定值 USER_HZ。

getconf CLK_TCK 100

使用率

單位時間內 CPU 使用情況的統計，以百分比的方式展示繁忙百分比。

Linux 通過 /proc 虛擬文件系統，向用戶空間提供了系統內部狀態的信息，而 /proc/stat 提供的就是系統的 CPU 和任務統計信息。比方說，如果你只關注 CPU 的話，可以執行下面的命令：

# cat /proc/stat | grep ^cpu cpu 234216 27933 319655 17408210 4562 55507 27548 0 0 0 cpu0 49539 7960 70000 2095840 766 17747 6814 0 0 0 cpu1 46158 7493 69829 2102226 919 14273 6062 0 0 0 cpu2 34898 2226 74222 2118598 778 12061 5720 0 0 0 cpu3 33398 2343 72419 2119606 904 9585 8048 0 0 0 cpu4 21543 1631 9387 2238443 136 437 189 0 0 0 cpu5 22054 1652 10093 2237259 127 434 203 0 0 0 cpu6 22313 1711 10588 2236524 129 420 185 0 0 0 cpu7 4308 2914 3114 2259711 798 547 323 0 0 0

這里的輸出結果是一個表格。其中，第一列表示的是 CPU 編號，如 cpu0、cpu1 ，而第一行沒有編號的 cpu ，表示的是所有 CPU 的累加。其他列則表示不同場景下 CPU 的累加節拍數，它的單位是 USER_HZ，也就是 10 ms（1/100 秒），所以這其實就是不同場景下的 CPU 時間。當然，這里每一列的順序并不需要背下來。有需要的時候，查詢 man proc 就可以。下面，來依次解讀一下。

• user（通常縮寫為 us），代表用戶態 CPU 時間。注意，它不包括下面的 nice 時間，但包括了 guest 時間。
• nice（通常縮寫為 ni），代表低優先級用戶態 CPU 時間，也就是進程的 nice 值被調整為 1-19 之間時的 CPU 時間。這里注意，nice 可取值范圍是 -20 到 19，數值越大，優先級反而越低。
• system（通常縮寫為 sys），代表內核態 CPU 時間。
• idle（通常縮寫為 id），代表空閑時間。注意，它不包括等待 I/O 的時間（iowait）。
• iowait（通常縮寫為 wa），代表等待 I/O 的 CPU 時間。
• irq（通常縮寫為 hi），代表處理硬中斷的 CPU 時間。
• softirq（通常縮寫為 si），代表處理軟中斷的 CPU 時間。
• steal（通常縮寫為 st），代表當系統運行在虛擬機中的時候，被其他虛擬機占用的 CPU 時間。
• guest（通常縮寫為 guest），代表通過虛擬化運行其他操作系統的時間，也就是運行虛擬機的 CPU 時間。
• guest_nice（通常縮寫為 gnice），代表以低優先級運行虛擬機的時間。

CPU 使用率，就是除了空閑時間外的其他時間占總 CPU 時間的百分比，用公式來表示就是：

根據這個公式，我們就可以從 /proc/stat 中的數據，很容易地計算出 CPU 使用率。當然，也可以用每一個場景的 CPU 時間，除以總的 CPU 時間，計算出每個場景的 CPU 使用率。

不過先不要著急計算，直接用 /proc/stat 的數據，算的是什么時間段的 CPU 使用率嗎？這是開機以來的節拍數累加值，所以直接算出來的，是開機以來的平均 CPU 使用率，一般沒啥參考價值。

事實上，為了計算 CPU 使用率，性能工具一般都會取間隔一段時間（比如 3 秒）的兩次值，作差后，再計算出這段時間內的平均 CPU 使用率，即：

我們知道了系統 CPU 使用率的計算方法，那進程的呢？跟系統的指標類似，Linux 也給每個進程提供了運行情況的統計信息，也就是 /proc/[pid]/stat。不過，這個文件包含的數據就比較豐富了，總共有 52 列的數據。

小結

CPU 使用率是最直觀和最常用的系統性能指標，更是我們在排查性能問題時，通常會關注的第一個指標。所以我們更要熟悉它的含義，尤其要弄清楚用戶（%user）、Nice（%nice）、系統（%system） 、等待 I/O（%iowait） 、中斷（%irq）以及軟中斷（%softirq）這幾種不同 CPU 的使用率。比如說：

• 用戶 CPU 和 Nice CPU 高，說明用戶態進程占用了較多的 CPU，所以應該著重排查進程的性能問題。
• 系統 CPU 高，說明內核態占用了較多的 CPU，所以應該著重排查內核線程或者系統調用的性能問題。
• I/O 等待 CPU 高，說明等待 I/O 的時間比較長，所以應該著重排查系統存儲是不是出現了 I/O 問題。
• 軟中斷和硬中斷高，說明軟中斷或硬中斷的處理程序占用了較多的 CPU，所以應該著重排查內核中的中斷服務程序。

總結

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