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CPU性能分析工具详解
课程介绍
CPU性能分析是系统性能优化的重要组成部分，通过分析CPU的使用情况可以发现性能瓶颈。本课程将详细讲解CPU性能分析工具的使用方法，包括top、htop、vmstat、mpstat、iostat等工具，帮助你掌握CPU性能分析的技巧。
1. CPU性能分析概述
1.1 什么是CPU性能分析
CPU性能分析是指分析CPU的使用情况，找出性能瓶颈。
CPU性能分析的目的：
| 目的 | 说明 |
|---|---|
| 性能监控 | 监控CPU使用情况 |
| 瓶颈分析 | 找出CPU性能瓶颈 |
| 性能优化 | 优化CPU性能 |
| 容量规划 | 规划CPU容量 |
1.2 CPU性能指标
CPU性能分析的主要指标。
CPU性能指标：
| 指标 | 说明 |
|---|---|
| CPU使用率 | CPU的使用率 |
| CPU负载 | CPU的负载 |
| 上下文切换 | CPU的上下文切换次数 |
| 中断次数 | CPU的中断次数 |
| 进程状态 | 进程的状态 |
2. top命令
2.1 top概述
top是Linux系统中用于实时监控系统资源的命令。
top的特点：
| 特点 | 说明 |
|---|---|
| 实时监控 | 实时监控系统资源 |
| 交互操作 | 支持交互操作 |
| 进程排序 | 支持进程排序 |
| 进程过滤 | 支持进程过滤 |
2.2 top基本用法
top的基本用法。
命令：
bash
# 启动top
top
# 查看top帮助
top -h
# 查看top版本
top -v2.3 top输出说明
top输出的说明。
输出说明：
top - 00:00:00 up 1 day, 1:00, 1 user, load average: 0.00, 0.01, 0.05
Tasks: 1 total, 1 running, 0 sleeping, 0 stopped, 0 zombie
%Cpu(s): 0.0 us, 0.0 sy, 0.0 ni, 100.0 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
MiB Mem: 8192.0 total, 4096.0 free, 2048.0 used, 2048.0 buff/cache
MiB Swap: 2048.0 total, 2048.0 free, 0.0 used. 6144.0 avail Mem
PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND
1234 root 20 0 12345 1234 123 S 0.0 0.0 0:00.01 sshd输出说明：
| 字段 | 说明 |
|---|---|
load average | CPU负载（1分钟、5分钟、15分钟） |
us | 用户空间CPU使用率 |
sy | 内核空间CPU使用率 |
ni | 优先级调整的CPU使用率 |
id | 空闲CPU使用率 |
wa | 等待IO的CPU使用率 |
hi | 硬中断CPU使用率 |
si | 软中断CPU使用率 |
st | 虚拟机CPU使用率 |
2.4 top交互操作
top的交互操作。
交互操作：
| 操作 | 说明 |
|---|---|
q | 退出top |
P | 按CPU使用率排序 |
M | 按内存使用率排序 |
T | 按CPU时间排序 |
k | 杀死进程 |
r | 修改进程优先级 |
1 | 显示每个CPU核心的使用率 |
h | 显示帮助 |
3. htop命令
3.1 htop概述
htop是top的增强版，提供更友好的界面。
htop的特点：
| 特点 | 说明 |
|---|---|
| 友好界面 | 提供更友好的界面 |
| 鼠标操作 | 支持鼠标操作 |
| 颜色高亮 | 支持颜色高亮 |
| 进程树 | 支持进程树 |
3.2 htop安装
htop通常默认不安装，需要手动安装。
安装htop：
bash
# Debian/Ubuntu系统
apt-get install htop
# CentOS/RHEL系统
yum install htop3.3 htop基本用法
htop的基本用法。
命令：
bash
# 启动htop
htop
# 查看htop帮助
htop -h
# 查看htop版本
htop -v3.4 htop交互操作
htop的交互操作。
交互操作：
| 操作 | 说明 |
|---|---|
q | 退出htop |
F1 | 显示帮助 |
F2 | 配置htop |
F3 | 搜索进程 |
F4 | 过滤进程 |
F5 | 显示进程树 |
F6 | 排序进程 |
F7 | 降低进程优先级 |
F8 | 提高进程优先级 |
F9 | 杀死进程 |
F10 | 退出htop |
4. vmstat命令
4.1 vmstat概述
vmstat是Linux系统中用于监控系统资源的命令。
vmstat的特点：
| 特点 | 说明 |
|---|---|
| 系统监控 | 监控系统资源 |
| 性能分析 | 分析系统性能 |
| 历史数据 | 提供历史数据 |
| 脚本处理 | 支持脚本处理 |
4.2 vmstat基本用法
vmstat的基本用法。
命令：
bash
# 查看系统资源
vmstat
# 查看系统资源（每秒更新一次，共5次）
vmstat 1 5
# 查看系统资源（显示详细信息）
vmstat -s
# 查看系统资源（显示磁盘统计）
vmstat -d
# 查看系统资源（显示 slab 统计）
vmstat -m4.3 vmstat输出说明
vmstat输出的说明。
输出说明：
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st
1 0 0 4096 1024 2048 0 0 0 0 10 5 0 0 99 0输出说明：
| 字段 | 说明 |
|---|---|
r | 等待运行的进程数 |
b | 处于不可中断睡眠状态的进程数 |
swpd | 使用的交换空间 |
free | 空闲内存 |
buff | 缓冲区内存 |
cache | 缓存内存 |
si | 从磁盘交换到内存的速率 |
so | 从内存交换到磁盘的速率 |
bi | 从磁盘读取的块数 |
bo | 写入磁盘的块数 |
in | 每秒中断次数 |
cs | 每秒上下文切换次数 |
us | 用户空间CPU使用率 |
sy | 内核空间CPU使用率 |
id | 空闲CPU使用率 |
wa | 等待IO的CPU使用率 |
st | 虚拟机CPU使用率 |
5. mpstat命令
5.1 mpstat概述
mpstat是Linux系统中用于监控CPU的命令。
mpstat的特点：
| 特点 | 说明 |
|---|---|
| CPU监控 | 监控CPU使用情况 |
| 多核支持 | 支持多核CPU |
| 详细信息 | 提供详细信息 |
| 脚本处理 | 支持脚本处理 |
5.2 mpstat安装
mpstat通常默认不安装，需要手动安装。
安装mpstat：
bash
# Debian/Ubuntu系统
apt-get install sysstat
# CentOS/RHEL系统
yum install sysstat5.3 mpstat基本用法
mpstat的基本用法。
命令：
bash
# 查看CPU使用情况
mpstat
# 查看CPU使用情况（每秒更新一次，共5次）
mpstat 1 5
# 查看所有CPU核心的使用情况
mpstat -P ALL
# 查看CPU使用情况（显示详细信息）
mpstat -V5.4 mpstat输出说明
mpstat输出的说明。
输出说明：
Linux 5.4.0-80-generic (server) 01/01/24 _x86_64_ (4 CPU)
00:00:00 CPU %usr %nice %sys %iowait %irq %soft %steal %guest %gnice %idle
00:00:01 all 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00输出说明：
| 字段 | 说明 |
|---|---|
CPU | CPU编号 |
%usr | 用户空间CPU使用率 |
%nice | 优先级调整的CPU使用率 |
%sys | 内核空间CPU使用率 |
%iowait | 等待IO的CPU使用率 |
%irq | 硬中断CPU使用率 |
%soft | 软中断CPU使用率 |
%steal | 虚拟机CPU使用率 |
%guest | 虚拟机CPU使用率 |
%gnice | 虚拟机CPU使用率 |
%idle | 空闲CPU使用率 |
6. 实战案例
案例1：分析CPU使用率
场景：分析CPU使用率，找出CPU使用率高的进程。
命令：
bash
# 查看CPU使用率
top
# 按CPU使用率排序
top -P
# 查看CPU使用率最高的进程
top -b -n 1 | head -n 20
# 查看CPU使用率最高的10个进程
ps aux --sort=-%cpu | head -n 11案例2：分析CPU负载
场景：分析CPU负载，找出CPU负载高的原因。
命令：
bash
# 查看CPU负载
uptime
# 查看CPU负载（详细信息）
top
# 查看CPU负载（每秒更新一次，共5次）
vmstat 1 5
# 查看CPU负载（详细信息）
cat /proc/loadavg案例3：分析CPU上下文切换
场景：分析CPU上下文切换，找出上下文切换高的原因。
命令：
bash
# 查看CPU上下文切换
vmstat
# 查看CPU上下文切换（每秒更新一次，共5次）
vmstat 1 5
# 查看CPU上下文切换（详细信息）
cat /proc/stat | grep ctxt案例4：分析CPU中断
场景：分析CPU中断，找出中断高的原因。
命令：
bash
# 查看CPU中断
vmstat
# 查看CPU中断（每秒更新一次，共5次）
vmstat 1 5
# 查看CPU中断（详细信息）
cat /proc/interrupts7. 性能优化建议
7.1 CPU使用率优化
CPU使用率优化的建议。
优化建议：
| 建议 | 说明 |
|---|---|
| 优化代码 | 优化代码，减少CPU使用率 |
| 使用缓存 | 使用缓存，减少CPU使用率 |
| 使用多线程 | 使用多线程，提高CPU利用率 |
| 使用多进程 | 使用多进程，提高CPU利用率 |
7.2 CPU负载优化
CPU负载优化的建议。
优化建议：
| 建议 | 说明 |
|---|---|
| 优化代码 | 优化代码，减少CPU负载 |
| 增加CPU | 增加CPU，提高CPU处理能力 |
| 使用多线程 | 使用多线程，提高CPU利用率 |
| 使用多进程 | 使用多进程，提高CPU利用率 |
7.3 上下文切换优化
上下文切换优化的建议。
优化建议：
| 建议 | 说明 |
|---|---|
| 减少线程数 | 减少线程数，减少上下文切换 |
| 使用线程池 | 使用线程池，减少上下文切换 |
| 使用协程 | 使用协程，减少上下文切换 |
| 优化代码 | 优化代码，减少上下文切换 |
课程总结
这节课我们学习了CPU性能分析工具详解。
核心内容:
- CPU性能分析概述
- top命令（基本用法、输出说明、交互操作）
- htop命令（安装、基本用法、交互操作）
- vmstat命令（基本用法、输出说明）
- mpstat命令（安装、基本用法、输出说明）
- 实战案例（分析CPU使用率、分析CPU负载、分析CPU上下文切换、分析CPU中断）
- 性能优化建议
重要命令:
top：实时监控系统资源htop：实时监控系统资源（增强版）vmstat：监控系统资源mpstat：监控CPU使用情况uptime：查看系统负载ps：查看进程
CPU性能分析是系统性能优化的重要组成部分，掌握这些知识后，我们将在后续课程中学习内存性能分析、磁盘IO和网络性能分析等内容。
课后练习
练习1（基础）
使用top命令查看CPU使用率。
练习2（进阶）
使用htop命令查看CPU使用率。
练习3（拓展）
使用vmstat命令查看CPU上下文切换。