linux 性能优化CPU

1 CPU性能指标

1.1 CPU 使用率： 显示CPU在用户态、内核态、空闲和等待I/O等状态下的时间占比。

1.2 上下文切换: 显示进程在CPU上切换的频率，过高的上下切换可能导致性能下降。

1.3 CPU负载： 显示系统中等待运行和等待IO的进程数，可以反映CPU的繁忙程度。

1.4 CPU缓存命中率：显示CPU缓存访问的成功率，高的缓存命中率表示性能更高。

2 CPU分析工具

2.1 top

root@u24-ebpf-100:~# ps aux|head

USER PID %CPU %MEM VSZ RSS TTY STAT START TIME COMMAND

root 1 0.1 0.3 22408 13336 ? Ss 08:44 0:07 /sbin/init

root 2 0.0 0.0 0 0 ? S 08:44 0:00 [kthreadd]

USER

进程的所有者（启动该进程的用户）。

PID

进程的唯一标识符（Process ID）。

%CPU

进程占用 CPU 的时间百分比（多核环境下可能超过 100%）。

%MEM

进程占用物理内存的百分比。

VSZ (Virtual Memory Size)

进程使用的虚拟内存大小（单位：KB）。包含进程可能访问的所有内存（包括交换分区和库文件）。

RSS (Resident Set Size)

进程实际使用的物理内存大小（单位：KB）。不包括交换分区和共享库。

TTY

进程关联的终端（终端设备名）：

?：进程与终端无关（如守护进程）。

ttyN：物理终端。

pts/N：伪终端（如 SSH 连接或终端模拟器）。

STAT

进程状态代码（由多个字母组合）：

R (Running)：正在运行或可运行（在运行队列中）。

S (Sleeping)：可中断的休眠（等待事件完成）。

D (Uninterruptible Sleep)：不可中断的休眠（通常等待 I/O）。

Z (Zombie)：僵尸进程（已终止但未被父进程回收）。

T (Stopped)：进程被信号暂停（如 Ctrl+Z）。

<：高优先级进程。

N：低优先级进程。

s：会话领导者（管理一组进程）。

l：多线程进程。

+：前台进程组。

START

进程启动的时间（若超过 24 小时则显示日期）。

TIME

进程使用的累计 CPU 时间（格式：分钟:秒）。

COMMAND

启动进程的命令名称或命令行参数：

xxx\]：内核线程（如 \[kworker\]）。 案例一：按CPU使用率降序 root@u24-ebpf-100:\~# ps aux --sort=-%cpu\|head USER PID %CPU %MEM VSZ RSS TTY STAT START TIME COMMAND root 9189 300 0.1 11016 4516 pts/2 R+ 10:34 0:00 ps aux --sort=-%cpu mysql 7914 1.9 10.3 1756000 408368 ? Sl 09:04 1:43 /usr/local/mysql-8.0.42/bin/mysqld --defaults-file=/etc/my.cnf root 746 0.5 0.2 242148 9076 ? Ssl 08:44 0:35 /usr/bin/vmtoolsd root 8939 0.1 0.0 0 0 ? I 10:01 0:03 \[kworker/0:2-events

root 9057 0.1 0.0 0 0 ? I 10:20 0:01 [kworker/1:3-events]

root 9036 0.1 1.0 476896 40612 ? Ssl 10:18 0:01 /usr/libexec/fwupd/fwupd

root 1 0.1 0.3 22408 13336 ? Ss 08:44 0:07 /sbin/init

root 8748 0.0 0.0 0 0 ? I 09:54 0:02 [kworker/0:1-events]

root 8073 0.0 0.2 14940 10584 ? Ss 09:23 0:02 sshd: root@pts/1,pts/0

案例二：按内存使用率降序

root@u24-ebpf-100:~# ps aux --sort=-%mem|head

USER PID %CPU %MEM VSZ RSS TTY STAT START TIME COMMAND

mysql 7914 1.9 10.3 1756000 408368 ? Sl 09:04 1:44 /usr/local/mysql-8.0.42/bin/mysqld --defaults-file=/etc/my.cnf

root 9036 0.1 1.0 476896 40612 ? Ssl 10:18 0:01 /usr/libexec/fwupd/fwupd

root 472 0.0 0.6 354524 27408 ? SLsl 08:44 0:02 /sbin/multipathd -d -s

root 434 0.0 0.4 50760 17176 ? S<s 08:44 0:01 /usr/lib/systemd/systemd-journald

root 843 0.0 0.3 468984 13444 ? Ssl 08:44 0:00 /usr/libexec/udisks2/udisksd

root 1 0.1 0.3 22408 13336 ? Ss 08:44 0:07 /sbin/init

systemd+ 651 0.0 0.3 21580 12928 ? Ss 08:44 0:00 /usr/lib/systemd/systemd-resolved

root 1016 0.0 0.3 392092 12880 ? Ssl 08:44 0:00 /usr/sbin/ModemManager

2.2 uptime 展示系统负载平均值和系统运行时间

root@u24-ebpf-100:~# uptime

10:38:01 up 1:53, 2 users, load average: 0.00, 0.00, 0.00

当前时间

10:30:45：系统的当前时间（格式为 时:分:秒）。

系统运行时间

up 15 days, 3:22：系统自上次启动后已连续运行的时间。

格式可能为 days + 小时:分钟，或仅 分钟（若运行时间不足 1 天）。

当前登录用户数

2 users：当前登录到系统的用户数（通过终端、SSH 等）。

每个用户可能打开多个终端会话，但此处统计的是独立用户。

系统平均负载（Load Average）

load average: 0.08, 0.03, 0.01：过去 1 分钟、5 分钟、15 分钟的平均负载。

#top 按进程展示CPU使用时间，以及系统层面的CPU模式

root@u24-ebpf-100:~# top

top - 14:30:45 up 15 days, 3:22, 2 users, load average: 0.08, 0.03, 0.01

Tasks: 250 total, 1 running, 249 sleeping, 0 stopped, 0 zombie

%Cpu(s): 5.6 us, 2.3 sy, 0.0 ni, 91.9 id, 0.1 wa, 0.0 hi, 0.1 si, 0.0 st

MiB Mem : 15918.8 total, 2041.2 free, 5120.5 used, 8757.1 buff/cache

MiB Swap: 2048.0 total, 2047.5 free, 0.5 used. 10500.2 avail Mem

PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND

1234 user 20 0 1023448 245000 45600 S 2.5 3.2 2:30.67 firefox

1 root 20 0 169320 13140 8920 S 0.0 0.1 0:15.23 systemd

第一部分：系统概览信息

1. 第一行：系统状态汇总

bash

top - 14:30:45 up 15 days, 3:22, 2 users, load average: 0.08, 0.03, 0.01

14:30:45：当前系统时间。

up 15 days, 3:22：系统已运行的时间（同 uptime 命令的输出）。

2 users：当前登录系统的用户数。

load average：过去 1、5、15 分钟的平均负载（详见 uptime 详解）。

2. 第二行：任务统计

bash

Tasks: 250 total, 1 running, 249 sleeping, 0 stopped, 0 zombie

total：总进程数。

running：正在运行（或等待 CPU）的进程数。

sleeping：休眠中的进程（等待事件触发）。

stopped：被信号暂停的进程（如 Ctrl+Z）。

zombie：僵尸进程（已终止但未被父进程回收的进程）。

3. 第三行：CPU 使用率

bash

%Cpu(s): 5.6 us, 2.3 sy, 0.0 ni, 91.9 id, 0.1 wa, 0.0 hi, 0.1 si, 0.0 st

us (user)：用户空间进程的 CPU 占用百分比（如应用程序）。

sy (system)：内核空间进程的 CPU 占用百分比（如系统调用）。

ni (nice)：调整过优先级的用户进程 CPU 占用。

id (idle)：CPU 空闲时间百分比。

wa (iowait)：等待 I/O 操作完成的 CPU 时间百分比（高值可能表示磁盘瓶颈）。

hi (hardware IRQ)：硬件中断占用的 CPU 时间。

si (software IRQ)：软件中断占用的 CPU 时间。

st (steal time)：虚拟机被宿主机"偷走"的 CPU 时间（仅虚拟化环境）。

4. 第四行和第五行：内存和交换空间

bash

MiB Mem : 15918.8 total, 2041.2 free, 5120.5 used, 8757.1 buff/cache

MiB Swap: 2048.0 total, 2047.5 free, 0.5 used. 10500.2 avail Mem

total：总内存/交换空间大小。

free：完全未使用的内存。

used：已使用的内存（包括缓存和缓冲区）。

buff/cache：内核缓存和缓冲区占用的内存（可被快速释放供程序使用）。

avail Mem：估算的可用内存（包含缓存和缓冲区的可回收部分）。

第二部分：进程列表

各列含义

列名 说明

PID 进程的唯一标识符（Process ID）。

USER 进程的所有者（启动该进程的用户）。

PR 进程的优先级（Priority），值越小优先级越高。

NI Nice 值（-20 到 19），用于调整优先级（负值提高优先级，正值降低）。

VIRT 进程使用的虚拟内存总量（包括共享库、未映射内存等，单位 KiB 或 MiB）。

RES 进程实际使用的物理内存（单位 KiB 或 MiB）。

SHR 进程使用的共享内存大小（如共享库）。

S 进程状态（同 ps）：

• R=运行，S=休眠，D=不可中断休眠，

• Z=僵尸，T=暂停。

%CPU 进程占用的 CPU 百分比（多核可能超过 100%）。

%MEM 进程占用的物理内存百分比。

TIME+ 进程使用的累计 CPU 时间（格式：分:秒.毫秒）。

COMMAND 启动进程的命令名称或命令行参数（-c 选项显示完整命令）。

2.3 mpstat 按每个CPU展示CPu统计数据指标

apt install systat

root@u24-ebpf-100:~# mpstat -P ALL 1 1

Linux 6.11.0-25-generic (u24-ebpf-100) 05/27/2025 x86_64 (2 CPU)

10:50:59 AM CPU %usr %nice %sys %iowait %irq %soft %steal %guest %gnice %idle

10:51:00 AM all 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00

10:51:00 AM 0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00

10:51:00 AM 1 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00

Average: CPU %usr %nice %sys %iowait %irq %soft %steal %guest %gnice %idle

Average: all 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00

Average: 0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00

Average: 1 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00

输出列详解

列名 说明

CPU CPU 核心编号（all 表示总体平均值）。

%usr 用户空间进程的 CPU 使用率（未调整优先级的应用程序）。

%nice 调整过优先级（nice 值）的用户进程 CPU 使用率。

%sys 内核空间进程的 CPU 使用率（系统调用、中断处理等）。

%iowait CPU 等待 I/O 操作完成的时间占比（高值可能表示磁盘或网络瓶颈）。

%irq 处理硬件中断的时间占比。

%soft 处理软件中断（如网络数据包、定时器）的时间占比。

%steal 在虚拟化环境中，被宿主机"偷走"的 CPU 时间（资源争抢时增加）。

%guest 运行虚拟化客户机（Guest OS）的时间占比。

%gnice 运行调整过优先级的虚拟化客户机的时间占比（较新内核支持）。

%idle CPU 空闲时间占比。

2.4 bpftrace

1. 高 CPU 使用率进程/函数定位

问题：某个进程或内核函数持续占用高 CPU。

bpftrace 脚本：

bash

统计按进程和内核函数聚合的 CPU 时间（每 5 秒输出一次）

sudo bpftrace -e 'profile:hz:99 /cpu/ { @[comm, kstack] = count(); } interval:s:5 { exit(); }'

输出示例：

bash

@[nginx,

__x64_sys_write+0

do_syscall_64+0x5d

entry_SYSCALL_64_after_hwframe+0x65

]: 12345

分析：显示 nginx 进程的 sys_write 系统调用消耗了大量 CPU 时间。

2. 上下文切换频繁

问题：频繁的进程/线程切换导致 CPU 浪费。

bpftrace 脚本：

bash

统计进程的上下文切换次数（按进程名聚合）

sudo bpftrace -e 'tracepoint:sched:sched_switch { @[comm] = count(); }'

优化建议：减少线程数、使用无锁数据结构或协程。