一、CPU介绍

       CPU 利用率很大部分取决于试图访问它的资源， 内核拥有一个管理两种资源的调度器：线程（单或多）和中断。调度器给予不同资源以不同的优先级，以下由优先级从高到低：

1） 中断——设备通知内核它们处理完成。例如网卡发送一个数据包或硬盘驱动器提供一次 IO 请求
2） 内核（系统）进程——所有的内核进程都在此级别的优先级进行处理
3）用户进程——通常被称为“用户空间” ，所有应用软件运行在用户空间，拥有最低的优先级.

为了弄明白内核是如何管理不同的资源的，几个关键概念需要提及一下： context  switches，run queues，utilization。

Context Switches(上下文切换)：

        大多数处理器在同一时间只能处理一个进程或线程，多线程处理器可同时处理 n 个线程。然而，linux 内核把多核处理器的各个核心当做独立核心。例如，内核把一个双核的处理当做两个独立处理器。

         一个标准的内核可同时处理 50 到 50000 个进程， 在只有一颗 CPU 的情况下， 内核必须调度和平衡这些进程和线程。 每个线程在处理器上都拥有一个时间分配单元， 当一个线程超过自己的时间单元或被更高优先级的程序抢占时， 此线程及被传回队列而此时更高优先级的程序将在处理器上执行。这种线程间的切换操作即是上下文切换。

运行队列
每个 CPU 维持着一个线程的运行队列， 理论上， 调度器应该是不断地运行和执行线程。线程要么处于睡眠状态，要么处于可运行状态。假如 CPU 子系统处于高负载状态，那么内核调度器罢工是有可能的， 其结果将导致可运行状态的进程开始阻塞运行队列。 运行队列越大，执行进程所花费的时间也越长。
一个很流行的术语叫“load（负载） ”经常被用来描述运行队列的状态，系统负载是由正在执行的进程和 CPU 运行队列中的进程的结合，如果有 2 个线程正在一个双核系统中执行且4 个正在运行队列中， 那么负载数即是 6， 像 top 等工具可查看过去 1,5,15 分钟的负载均值。

CPU 利用率
CPU 利用率被定义为 CPU 使用的百分比， CPU 如何被利用是衡量一个系统的重要标准。多数性能监测工具把 CPU 利用分为以下几个类型：
* 用户时间——CPU 花在执行用户空间进程的时间百分比
* 系统时间——CPU 花在执行内核进程和中断的时间百分比
* IO 等待——CPU 花在等待 IO 请求完成的时间百分比
* IDLE——CPU 的空闲时间百分比

理解 CPU 的性能状态即是理解中断，运行队列和上下文切换的状态。之前有提到过性能与基准信息有密切关系，但是有些常规的性能预期：
* 运行队列——每个处理器上的运行队列不应该有超过 1-3 个排队的线程。 例如， 一个双核系统不应该有超过 6 个进行在运行队列里。
* CPU 利用率——假如一个 CPU 满状态负荷，那么以下的平衡关系需要达到：
65%--70%的用户时间
30%--35%的系统时间
0%--5%的空闲时间
* 上下文切换——上下文切换的数量与 CPU 的利用率有直接关系。如果 CPU 处于高负荷状态下那么大量的上下文切换是正常的。

二、利用vmstat命令监控系统CPU

   vmstat 工具的低开销使得它可以在一个高负载的系统上持续运行，它有两种工作模式：均值模式和采样模式。采样模式如下：

   该命令可以显示关于系统各种资源之间相关性能的简要信息，这里我们主要用它来看CPU一个负载情况。

   下面是vmstat命令在某个系统的输出结果：

[root@node1 ~]# vmstat 2 3

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    162240   8304  67032   0    0    13    21   1007   23     0  1   98   0   0

 0  0    0    162240   8304  67032   0    0     1     0     1010   20     0  1   100 0   0

 0  0    0    162240   8304  67032   0    0     1     1     1009   18     0  1    99  0   0

Procs

     r：运行和等待cpu时间片的进程数，这个值如果长期大于系统CPU的个数，说明CPU不足，需要增加CPU。

     b：在等待资源的进程数，比如正在等待I/O、或者内存交换等。

Memory

     swpd: 虚拟内存使用情况，单位：KB

     free: 空闲的内存，单位KB

     buff: 被用来做为缓存的内存数，一般对块设备的读写才需要缓冲，单位：KB

     cache:表示page cached的内存数量，一般作为文件系统cached，频繁访问的文件都会被cached，如果cache值较大，说明cached的文件数较多，如果此时IO中bi比较小，说明文件系统效率比较好。

Swap

     si: 从磁盘交换到内存的交换页数量，单位：KB/秒

     so: 从内存交换到磁盘的交换页数量，单位：KB/秒

I/O

     bi: 发送到块设备的块数（从内存写入磁盘），单位：块/秒

     bo: 从块设备接收到的块数(从磁盘加载到内存），单位：块/秒

System

      in: 每秒的中断数，包括时钟中断。

      cs: 每秒的环境（上下文）切换次数

cpu

    us：用户进程消耗的CPU 时间百分比。us的值比较高时，说明用户进程消耗的cpu时间多，但是如果长期大于50%，就需要考虑优化程序或算法。

     sy：内核进程消耗的CPU时间百分比。Sy的值较高时，说明内核消耗的CPU资源很多。

根据经验，us+sy的参考值为70%，如果us+sy大于 70%说明可能存在CPU资源不足。

注意：

            1）如果 r （run queue 运行队列中的进程数）经常大于 4 ，且id经常少于40，表示cpu的负荷很重。

            2）如果si，so 长期不等于0，表示内存不足。

            3）如果disk 经常不等于0， 且在 b中的队列大于3， 表示 io性能不好。

           4）其拥有很高的中断数 （in） 和很低的上下文切换数， 这说明可能有单个进程在进行大量的硬件资源请求。
            5）运行队列数刚好达到可接受的上限值，且出现超过上限值的情况。

三、mpstat命令监控系统CPU

如果你的系统有多个处理器核心，你就可以使用 mpstat 工具来监测每个核心。linux 内核把一个双核处理器当做 2 个 CPU，所以一个拥有 2 颗双核心的系统将被视为 4CPU。

# mpstat –P ALL 1

10:48:59 PM  CPU    %usr   %nice    %sys %iowait    %irq   %soft  %steal  %guest   %idle
10:48:59 PM  all    0.32    0.00    0.22    0.07    0.01    0.01    0.00    0.00   99.37

四、利用sar命令监控系统CPU

sar功能很强大，可以对系统的每个方面进行单独的统计，但是使用sar命令会增加系统开销，不过这些开销是可以评估的，对系统的统计结果不会有很大影响。

 下面是sar命令对某个系统的CPU统计输出：

[root@webserver ~]# sar -u 3 5

Linux 2.6.9-42.ELsmp (webserver)        11/28/2008      _i686_  (8 CPU)

11:41:24 AM     CPU     %user     %nice   %system   %iowait    %steal     %idle

11:41:27 AM     all      0.88      0.00      0.29      0.00      0.00     98.83

11:41:30 AM     all      0.13      0.00      0.17      0.21      0.00     99.50

11:41:33 AM     all      0.04      0.00      0.04      0.00      0.00     99.92

11:41:36 AM     all      90.08     0.00      0.13      0.16      0.00     9.63

11:41:39 AM     all      0.38      0.00      0.17      0.04      0.00     99.41

Average:        all      0.34      0.00      0.16      0.05      0.00     99.45

对上面每项的输出解释如下：

l        %user列显示了用户进程消耗的CPU 时间百分比。

l        %nice列显示了运行正常进程所消耗的CPU 时间百分比。

l        %system列显示了系统进程消耗的CPU时间百分比。

l        %iowait列显示了IO等待所占用的CPU时间百分比

l        %steal列显示了在内存相对紧张的环境下pagein强制对不同的页面进行的steal操作 。

l        %idle列显示了CPU处在空闲状态的时间百分比。

 具体参考：LinuxCPU利用率计算原理及内核实现(http://ilinuxkernel.com/?p=333)

问题

1.你是否遇到过系统CPU整体利用率不高，而应用缓慢的现象？

       在一个多CPU的系统中，如果程序使用了单线程，会出现这么一个现象，CPU的整体使用率不高，但是系统应用却响应缓慢，这可能是由于程序使用单线程的原因，单线程只使用一个CPU，导致这个CPU占用率为100%，无法处理其它请求，而其它的CPU却闲置，这就导致了整体CPU使用率不高，而应用缓慢现象的发生。

五、小结

CPU 的性能监测包含以下部分：
* 1）检查系统运行队列并确保每个核心上不超过 3 个可运行进程
* 2）确保 CPU 利用率的用户时间和系统时间在 70/30 之间
* 3）当 CPU 花费更多的时间在 system mode 上时，更有可能是因过载而试图重新调度优先级
* 4）运行 CPU 限制型应用比 IO 限制型应用更易出现性能瓶颈

lscpu:

Cat  /proc/cpuinfo |grep “physical id” |sort –u |wc -l

查看cpu的核心数；