Linux系统性能监控之CPU

关注点

首先，我们来看监控CPU运行状况时需要关注的几个：

1. CPU使用率：

   CPU使用率分为用户态CPU使用率和系统态CPU使用率。用户态CPU使用率是指执行应用程序代码的时间占总CPU时间的百分比；系统态CPU使用率是指应用执行操作系统调用的时间占总CPU时间的百分比。系统态CPU使用率高意味着共享资源有竞争或者I/O设备之间有大量的交互。提高应用性能和扩展性的一个目标是尽可能降低系统态CPU使用率。

2. 上下文切换：

   如果可运行的线程数大于CPU的数量，那么OS最终会强行换出正在执行的线程，从而使其他线程能够使用CPU。这会引起上下文切换，它会保存当前运行线程的执行上下文，并重建新调入线程的执行上下文。

   上下文切换又分为2种：让步式上下文切换和抢占式上下文切换。前者是指执行线程主动释放CPU，与锁竞争严重程度成正比，可通过减少锁竞争来避免；后者是指线程因分配的时间片用尽而被迫放弃CPU或者被其他优先级更高的线程所抢占，一般由于线程数大于CPU可用核心数引起，可通过调整线程数，适当减少线程数来避免。

3. 运行队列

   每个CPU都会维持一个运行队列，理想情况下，调度器会不断让队列中的进程运行。进程不是处在sleep状态就是run able状态。如果CPU过载，就会出现调度器跟不上系统的要求，导致可运行的进程会填满队列。队列愈大，程序执行时间就愈长。

4. Load Average

   Load Average是 CPU的 Load，它所包含的信息不是 CPU的使用率状况，而是在一段时间内 CPU正在处理以及等待 CPU处理的进程数之和的统计信息，也就是 CPU使用队列的长度的统计信息。

   经验值： 安全的load一般是cpu的个数

5. CPU的利用率

   User Time， System Time， WaitIO， Idle

6. 中断

   Devices tell the kernel that they are done processing.

建议

1. 运行队列：每个处理器应该运行的队列不超过1-3个线程。例子，一个双核处理器应该运行队列不要超过6个线程。经验值： 安全的load一般是cpu的个数

2. CPU利用率：如果一个CPU被充分使用，利用率分类之间均衡的比例应该是：

   65%~70% User Time

   30%~35% System Time

   0%~5% Idle Time

操作命令

1. 查看CPU信息

   cat /proc/cpuinfo
   grep 'processor' /proc/cpuinfo | wc -l  查看CPU个数            

2. uptime命令

   以下显示输入uptime的信息：

   04:03:58 up 10 days, 13:19,  1 user,  load average: 0.54, 0.40, 0.20           

   • 当前时间 04:03:58
   • 系统已运行的时间 10 days, 13:19
   • 当前在线用户 1 user

   • 平均负载：0.54, 0.40, 0.20 （最近1分钟、5分钟、15分钟系统的负载）

     系统平均负载被定义为在特定时间间隔内运行队列中的平均进程树。如果一个进程满足以下条件则其就会位于运行队列中： 它没有在等待I/O操作的结果，它没有主动进入等待状态(也就是没有调用’wait’) ，没有被停止(例如：等待终止)。一般来说，每个CPU内核当前活动进程数不大于3，则系统运行表现良好！当然这里说的是每个cpu内核，也就是如果你的主机是四核cpu的话，那么只要uptime最后输出的一串字符数值小于12即表示系统负载不是很严重。当然如果达到20，那就表示当前系统负载非常严重，估计打开执行web脚本非常缓慢。

3. vmstat命令

   vmstat命令是最常见的Linux/Unix监控工具，可以展现给定时间间隔的服务器的状态值,包括服务器的CPU使用率，内存使用，虚拟内存交换情况, IO读写情况。

   一般vmstat工具的使用是通过两个数字参数来完成的，第一个参数是采样的时间间隔数，单位是秒，第二个参数是采样的次数，如:

   procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- --system-- -----cpu------
   r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st
   0  0      0 5000628      0 122932    0    0  8543 31070    4    9  1  0 93  0  7           

   r 表示运行队列。当这个值超过了CPU数目，就会出现CPU瓶颈了。

   b 表示阻塞的进程。

   swpd 虚拟内存已使用的大小，切换到内存交换区的内存数量(k表示)。如果大于0，表示你的机器物理内存不足了。

   free 当前的空闲页面列表中内存数量(k表示)。

   buff 作为buffer cache的内存数量，一般对块设备的读写才需要缓冲。

   cache: 作为page cache的内存数量，一般作为文件系统的cache

   si 每秒从磁盘读入虚拟内存的大小，如果这个值大于0，表示物理内存不够用或者内存泄露了，要查找耗内存进程解决掉。

   so 每秒虚拟内存写入磁盘的大小，如果这个值大于0，同上。

   bi 块设备每秒接收的块数量，这里的块设备是指系统上所有的磁盘和其他块设备，默认块大小是1024byte。

   bo 块设备每秒发送的块数量。

   in 每秒CPU的中断次数，包括时间中断

   cs 每秒上下文切换次数。上下文切换次数过多表示你的CPU大部分浪费在上下文切换，导致CPU干正经事的时间少了，CPU没有充分利用，是不可取的。

   us 用户CPU时间。

   sy 系统CPU时间。

   id 空闲 CPU时间。

   wa 等待IO CPU时间。

   st Time stolen from a virtual machine. Prior to Linux 2.6.11, unknown.

4. Top命令

   TOP是一个动态显示过程,即可以通过用户按键来不断刷新当前状态.如果在前台执行该命令,它将独占前台,直到用户终止该程序为止.比较准确的说,top命令提供了实时的对系统处理器的状态监视.它将显示系统中CPU最“敏感”的任务列表。

   top - 12:38:33 up 50 days, 23:15,  2 users,  load average: 60.58, 61.14, 61.22
   Tasks: 203 total,  60 running, 139 sleeping,   4 stopped,   0 zombie
   Cpu(s)  : 27.0%us, 73.0%sy,  0.0%ni,  0.0%id,  0.0%wa,  0.0%hi,  0.0%si,  0.0%st
   Mem:   1939780k total,  1375280k used,   564500k free,   109680k buffers
   Swap:  4401800k total,   497456k used,  3904344k free,   848712k cached
   PID   USER      PR  NI  VIRT   RES  SHR  S  %CPU %MEM    TIME+  COMMAND                                
   4338 oracle    25   0  627m  209m 207m  R   0   11.0    297:14.76 oracle                                             

   多U多核CPU监控

   在top基本视图中，按键盘数字1，可监控每个逻辑CPU的状况

   在top基本视图中，按键盘输入H后，top将以上一次系统记得的“H”状态的相反的状态运行。如上次top的H状态是off，则这次运行时H状态就变成on了，H状态是on时，所有的单独的线程都会被显示出来。

   TOP视图解析：

   第一行：

   12:38:33 当前系统时间

   50days, 23:15 系统已经运行了50天23小时15分钟（在这期间没有重启过）

   2 users 当前有2个用户登录系统

   load average: 60.58, 61.14, 61.22 load average后面的三个数分别是1分钟、5分钟、15分钟的负载情况。

   load average数据是每隔5秒钟检查一次活跃的进程数，然后按特定算法计算出的数值。如果这个数除以逻辑CPU的数量，结果高于5的时候就表明系统在超负荷运转了。

   第二行：

   Tasks 任务（进程），系统现在共有203个进程，其中处于运行中的有60个，139个在休眠（sleep），stoped状态的有4个，zombie状态（僵尸）的有0个。

   第三行：cpu状态

   27.0% us 用户空间占用CPU的百分比。

   73.0%sy 内核空间占用CPU的百分比。

   0.0% ni 改变过优先级的进程占用CPU的百分比

   0.0%id 空闲CPU百分比

   0.0% wa IO等待占用CPU的百分比

   0.0% hi 硬中断（Hardware IRQ）占用CPU的百分比

   0.0% si 软中断（Software Interrupts）占用CPU的百分比

   第四行：内存状态

   total 物理内存总量

   used 使用中的内存总量

   free 空闲内存总量

   buffers 缓存的内存量

   第四行中使用中的内存总量（used）指的是现在系统内核控制的内存数，空闲内存总量（free）是内核还未纳入其管控范围的数量。纳入内核管理的内存不见得都在使用中，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。

   第五行：swap交换分区

   total 交换区总量

   used 使用的交换区总量

   free 空闲交换区总量

   cached 缓冲的交换区总量

   如果出于习惯去计算可用内存数，这里有个近似的计算公式：第四行的free + 第四行的buffers + 第五行的cached，按这个公式此台服务器的可用内存：530668+79236+4231276 = 4.7GB。

   对于内存监控，在top里我们要时刻监控第五行swap交换分区的used，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。

   第六行是空行

   第七行以下：各进程（任务）的状态监控

   PID 进程id

   USER 进程所有者

   PR 进程优先级

   NI nice值。负值表示高优先级，正值表示低优先级

   VIRT 进程使用的虚拟内存总量，单位kb。VIRT=SWAP+RES

   RES 进程使用的、未被换出的物理内存大小，单位kb。RES=CODE+DATA

   SHR 共享内存大小，单位kb

   S 进程状态。D=不可中断的睡眠状态 R=运行 S=睡眠 T=跟踪/停止 Z=僵尸进程

   %CPU 上次更新到现在的CPU时间占用百分比

   %MEM 进程使用的物理内存百分比

   TIME+ 进程使用的CPU时间总计，单位1/100秒

   COMMAND 进程名称（命令名/命令行）

5. mpstat命令

   mpstat是MultiProcessor Statistics的缩写，是实时系统监控工具。其报告与CPU的一些统计信息，这些信息存放在/proc/stat文件中。在多CPUs系统里，其不但能查看所有CPU的平均状况信息，而且能够查看特定CPU的信息。

   mpstat -P ALL           

   这里请大家注意区分物理cpu和逻辑cpu的区别，不要混淆了
6. sar命令

   sar -q      查看load状况
   sar -u      查看cpu使用率
   sar -u -f /var/log/sa/sa12       查看历史情况