上一節我講了 CPU 使用率是什麼，並通過一個案例教你使用 top、vmstat、pidstat 等工具，排查高 CPU 使用率的進程，然後再使用 perf top 工具，定位應用內部函數的問題。不過就有人留言了，說似乎感覺高 CPU 使用率的問題，還是挺容易排查的。
那是不是所有 CPU 使用率高的問題，都可以這麼分析呢？我想，你的答案應該是否定的。
回顧前面的內容，我們知道，系統的 CPU 使用率，不僅包括進程用戶態和內核態的運行，還包括中斷處理、等待 I/O 以及內核線程等。所以，當你發現系統的 CPU 使用率很高的時候，不一定能找到相對應的高 CPU 使用率的進程。
今天，我就用一個 Nginx + PHP 的 Web 服務的案例，帶你來分析這種情況。
案例分析
你的準備
今天依舊探究系統 CPU 使用率高的情況，所以這次實驗的準備工作，與上節課的準備工作基本相同，差別在於案例所用的 Docker 鏡像不同。
本次案例還是基於 Centos7，同樣適用於其他的 Linux 系統。我使用的案例環境如下所示：機器配置：2 CPU，8GB 內存預先安裝 docker、sysstat、perf、ab 等工具
前面我們講到過，ab（apache bench）是一個常用的 HTTP 服務性能測試工具，這裏同樣用來模擬 Nginx 的客戶端。由於 Nginx 和 PHP 的配置比較麻煩，我把它們打包成了兩個Docker 鏡像 ，這樣只需要運行兩個容器，就可以得到模擬環境。
注意，這個案例要用到兩臺虛擬機，如下圖所示：
你可以看到，其中一臺用作 Web 服務器，來模擬性能問題；另一臺用作 Web 服務器的客戶端，來給 Web 服務增加壓力請求。使用兩臺虛擬機是爲了相互隔離，避免“交叉感染”。
接下來，我們打開兩個終端，分別 SSH 登錄到兩臺機器上，並安裝上述工具。
同樣注意，下面所有命令都默認以 root 用戶運行，如果你是用普通用戶身份登陸系統，請運行 sudo su root 命令切換到 root 用戶。
走到這一步，準備工作就完成了。接下來，我們正式進入操作環節。
操作和分析
首先，我們在第一個終端，執行下面的命令運行 Nginx 和 PHP 應用：
$ docker run --name nginx -p 10000:80 -itd feisky/nginx:sp
$ docker run --name phpfpm -itd --network container:nginx feisky/php-fpm:sp然後，在第二個終端，使用 curl 訪問 http://[VM1 的 IP]:10000，確認 Nginx 已正常啓動。你應該可以看到 It works! 的響應。
# 192.168.0.10是第一臺虛擬機的IP地址
$ curl http://192.168.0.10:10000/
It works!接着，我們來測試一下這個 Nginx 服務的性能。在第二個終端運行下面的 ab 命令。要注意，與上次操作不同的是，這次我們需要併發 100 個請求測試 Nginx 性能，總共測試 1000 個請求。
# 併發100個請求測試Nginx性能，總共測試1000個請求
$ ab -c 100 -n 1000 http://192.168.0.10:10000/
This is ApacheBench, Version 2.3 <$Revision: 1706008 $>
Copyright 1996 Adam Twiss, Zeus Technology Ltd,
...
Requests per second: 87.86 [#/sec] (mean)
Time per request: 1138.229 [ms] (mean)
...從 ab 的輸出結果我們可以看到，Nginx 能承受的每秒平均請求數，只有 87 多一點，是不是感覺它的性能有點差呀。那麼，到底是哪裏出了問題呢？我們再用 top 和 pidstat 來觀察一下。
這次，我們在第二個終端，將測試的併發請求數改成 5，同時把請求時長設置爲 10 分鐘（-t 600）。這樣，當你在第一個終端使用性能分析工具時， Nginx 的壓力還是繼續的。
繼續在第二個終端運行 ab 命令：
$ ab -c 5 -t 600 http://192.168.0.10:10000/然後，我們在第一個終端運行 top 命令，觀察系統的 CPU 使用情況：
$ top
...
%Cpu(s): 80.8 us, 15.1 sy, 0.0 ni, 2.8 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 1.3 si, 0.0 st
...
PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND
6882 root 20 0 8456 5052 3884 S 2.7 0.1 0:04.78 docker-containe
6947 systemd+ 20 0 33104 3716 2340 S 2.7 0.0 0:04.92 nginx
7494 daemon 20 0 336696 15012 7332 S 2.0 0.2 0:03.55 php-fpm
7495 daemon 20 0 336696 15160 7480 S 2.0 0.2 0:03.55 php-fpm
10547 daemon 20 0 336696 16200 8520 S 2.0 0.2 0:03.13 php-fpm
10155 daemon 20 0 336696 16200 8520 S 1.7 0.2 0:03.12 php-fpm
10552 daemon 20 0 336696 16200 8520 S 1.7 0.2 0:03.12 php-fpm
15006 root 20 0 1168608 66264 37536 S 1.0 0.8 9:39.51 dockerd
4323 root 20 0 0 0 0 I 0.3 0.0 0:00.87 kworker/u4:1
...觀察 top 輸出的進程列表可以發現，CPU 使用率最高的進程也只不過才 2.7%，看起來並不高。
然而，再看系統 CPU 使用率（ %Cpu ）這一行，你會發現，系統的整體 CPU 使用率是比較高的：用戶 CPU 使用率（us）已經到了 80%，系統 CPU 爲 15.1%，而空閒 CPU （id）則只有 2.8%。
爲什麼用戶 CPU 使用率這麼高呢？我們再重新分析一下進程列表，看看有沒有可疑進程：
docker-containerd 進程是用來運行容器的，2.7% 的 CPU 使用率看起來正常；
Nginx 和 php-fpm 是運行 Web 服務的，它們會佔用一些 CPU 也不意外，並且 2% 的 CPU 使用率也不算高；
再往下看，後面的進程呢，只有 0.3% 的 CPU 使用率，看起來不太像會導致用戶 CPU 使用率達到 80%。
那就奇怪了，明明用戶 CPU 使用率都 80% 了，可我們挨個分析了一遍進程列表，還是找不到高 CPU 使用率的進程。看來 top 是不管用了，那還有其他工具可以查看進程 CPU 使用情況嗎？不知道你記不記得我們的老朋友 pidstat，它可以用來分析進程的 CPU 使用情況。
接下來，我們還是在第一個終端，運行 pidstat 命令：
# 間隔1秒輸出一組數據（按Ctrl+C結束）
$ pidstat 1
...
04:36:24 UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command
04:36:25 0 6882 1.00 3.00 0.00 0.00 4.00 0 docker-containe
04:36:25 101 6947 1.00 2.00 0.00 1.00 3.00 1 nginx
04:36:25 1 14834 1.00 1.00 0.00 1.00 2.00 0 php-fpm
04:36:25 1 14835 1.00 1.00 0.00 1.00 2.00 0 php-fpm
04:36:25 1 14845 0.00 2.00 0.00 2.00 2.00 1 php-fpm
04:36:25 1 14855 0.00 1.00 0.00 1.00 1.00 1 php-fpm
04:36:25 1 14857 1.00 2.00 0.00 1.00 3.00 0 php-fpm
04:36:25 0 15006 0.00 1.00 0.00 0.00 1.00 0 dockerd
04:36:25 0 15801 0.00 1.00 0.00 0.00 1.00 1 pidstat
04:36:25 1 17084 1.00 0.00 0.00 2.00 1.00 0 stress
04:36:25 0 31116 0.00 1.00 0.00 0.00 1.00 0 atopacctd
...觀察一會兒，你是不是發現，所有進程的 CPU 使用率也都不高啊，最高的 Docker 和 Nginx 也只有 4% 和 3%，即使所有進程的 CPU 使用率都加起來，也不過是 21%，離 80% 還差得遠呢！
最早的時候，我碰到這種問題就完全懵了：明明用戶 CPU 使用率已經高達 80%，但我卻怎麼都找不到是哪個進程的問題。到這裏，你也可以想想，你是不是也遇到過這種情況？還能不能再做進一步的分析呢？
後來我發現，會出現這種情況，很可能是因爲前面的分析漏了一些關鍵信息。你可以先暫停一下，自己往上翻，重新操作檢查一遍。或者，我們一起返回去分析 top 的輸出，看看能不能有新發現。
現在，我們回到第一個終端，重新運行 top 命令，並觀察一會兒：
$ top
top - 04:58:24 up 14 days, 15:47, 1 user, load average: 3.39, 3.82, 2.74
Tasks: 149 total, 6 running, 93 sleeping, 0 stopped, 0 zombie
%Cpu(s): 77.7 us, 19.3 sy, 0.0 ni, 2.0 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 1.0 si, 0.0 st
KiB Mem : 8169348 total, 2543916 free, 457976 used, 5167456 buff/cache
KiB Swap: 0 total, 0 free, 0 used. 7363908 avail Mem
PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND
6947 systemd+ 20 0 33104 3764 2340 S 4.0 0.0 0:32.69 nginx
6882 root 20 0 12108 8360 3884 S 2.0 0.1 0:31.40 docker-containe
15465 daemon 20 0 336696 15256 7576 S 2.0 0.2 0:00.62 php-fpm
15466 daemon 20 0 336696 15196 7516 S 2.0 0.2 0:00.62 php-fpm
15489 daemon 20 0 336696 16200 8520 S 2.0 0.2 0:00.62 php-fpm
6948 systemd+ 20 0 33104 3764 2340 S 1.0 0.0 0:00.95 nginx
15006 root 20 0 1168608 65632 37536 S 1.0 0.8 9:51.09 dockerd
15476 daemon 20 0 336696 16200 8520 S 1.0 0.2 0:00.61 php-fpm
15477 daemon 20 0 336696 16200 8520 S 1.0 0.2 0:00.61 php-fpm
24340 daemon 20 0 8184 1616 536 R 1.0 0.0 0:00.01 stress
24342 daemon 20 0 8196 1580 492 R 1.0 0.0 0:00.01 stress
24344 daemon 20 0 8188 1056 492 R 1.0 0.0 0:00.01 stress
24347 daemon 20 0 8184 1356 540 R 1.0 0.0 0:00.01 stress
...注意：如果觀察不到stress(進程太多 top不顯示所有進程) 請使用top -b -n 1 > ./top.log 然後cat top.log
這次從頭開始看 top 的每行輸出，咦？Tasks 這一行看起來有點奇怪，就緒隊列中居然有 6 個 Running 狀態的進程（6 running），是不是有點多呢？
回想一下 ab 測試的參數，併發請求數是 5。再看進程列表裏， php-fpm 的數量也是 5，再加上 Nginx，好像同時有 6 個進程也並不奇怪。但真的是這樣嗎？
再仔細看進程列表，這次主要看 Running（R） 狀態的進程。你有沒有發現， Nginx 和所有的 php-fpm 都處於 Sleep（S）狀態，而真正處於 Running（R）狀態的，卻是幾個 stress 進程。這幾個 stress 進程就比較奇怪了，需要我們做進一步的分析。
我們還是使用 pidstat 來分析這幾個進程，並且使用 -p 選項指定進程的 PID。首先，從上面 top 的結果中，找到這幾個進程的 PID。比如，先隨便找一個 24344，然後用 pidstat 命令看一下它的 CPU 使用情況：
$ pidstat -p 24344
16:14:55 UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command奇怪，居然沒有任何輸出。難道是 pidstat 命令出問題了嗎？之前我說過，在懷疑性能工具出問題前，最好還是先用其他工具交叉確認一下。那用什麼工具呢？ ps 應該是最簡單易用的。我們在終端裏運行下面的命令，看看 24344 進程的狀態：
# 從所有進程中查找PID是24344的進程
$ ps aux | grep 24344
root 9628 0.0 0.0 14856 1096 pts/0 S+ 16:15 0:00 grep --color=auto 24344還是沒有輸出。現在終於發現問題，原來這個進程已經不存在了，所以 pidstat 就沒有任何輸出。既然進程都沒了，那性能問題應該也跟着沒了吧。我們再用 top 命令確認一下：
$ top
...
%Cpu(s): 80.9 us, 14.9 sy, 0.0 ni, 2.8 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 1.3 si, 0.0 st
...
PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND
6882 root 20 0 12108 8360 3884 S 2.7 0.1 0:45.63 docker-containe
6947 systemd+ 20 0 33104 3764 2340 R 2.7 0.0 0:47.79 nginx
3865 daemon 20 0 336696 15056 7376 S 2.0 0.2 0:00.15 php-fpm
6779 daemon 20 0 8184 1112 556 R 0.3 0.0 0:00.01 stress
...好像又錯了。結果還跟原來一樣，用戶 CPU 使用率還是高達 80.9%，系統 CPU 接近 15%，而空閒 CPU 只有 2.8%，Running 狀態的進程有 Nginx、stress 等。
可是，剛剛我們看到 stress 進程不存在了，怎麼現在還在運行呢？再細看一下 top 的輸出，原來，這次 stress 進程的 PID 跟前面不一樣了，原來的 PID 24344 不見了，現在的是 6779。
進程的 PID 在變，這說明什麼呢？在我看來，要麼是這些進程在不停地重啓，要麼就是全新的進程，這無非也就兩個原因：
第一個原因，進程在不停地崩潰重啓，比如因爲段錯誤、配置錯誤等等，這時，進程在退出後可能又被監控系統自動重啓了。
第二個原因，這些進程都是短時進程，也就是在其他應用內部通過 exec 調用的外面命令。這些命令一般都只運行很短的時間就會結束，你很難用 top 這種間隔時間比較長的工具發現（上面的案例，我們碰巧發現了）。
至於 stress，我們前面提到過，它是一個常用的壓力測試工具。它的 PID 在不斷變化中，看起來像是被其他進程調用的短時進程。要想繼續分析下去，還得找到它們的父進程。
要怎麼查找一個進程的父進程呢？沒錯，用 pstree（yum -y install psmisc） 就可以用樹狀形式顯示所有進程之間的關係：
$ pstree | grep stress
|-docker-containe-+-php-fpm-+-php-fpm---sh---stress
| |-3*[php-fpm---sh---stress---stress]從這裏可以看到，stress 是被 php-fpm 調用的子進程，並且進程數量不止一個（這裏是 3 個）。找到父進程後，我們能進入 app 的內部分析了。
首先，當然應該去看看它的源碼。運行下面的命令，把案例應用的源碼拷貝到 app 目錄，然後再執行 grep 查找是不是有代碼再調用 stress 命令：
# 拷貝源碼到本地
$ docker cp phpfpm:/app .
# grep 查找看看是不是有代碼在調用stress命令
$ grep stress -r app
app/index.php:// fake I/O with stress (via write()/unlink()).
app/index.php:$result = exec("/usr/local/bin/stress -t 1 -d 1 2>&1", $output, $status);找到了，果然是 app/index.php 文件中直接調用了 stress 命令。
再來看看 app/index.php 的源代碼：
$ cat app/index.php
<?php
// fake I/O with stress (via write()/unlink()).
$result = exec("/usr/local/bin/stress -t 1 -d 1 2>&1", $output, $status);
if (isset($_GET["verbose"]) && $_GET["verbose"]==1 && $status != 0) {
echo "Server internal error: ";
print_r($output);
} else {
echo "It works!";
}
?>可以看到，源碼裏對每個請求都會調用一個 stress 命令，模擬 I/O 壓力。從註釋上看，stress 會通過 write() 和 unlink() 對 I/O 進程進行壓測，看來，這應該就是系統 CPU 使用率升高的根源了。
不過，stress 模擬的是 I/O 壓力，而之前在 top 的輸出中看到的，卻一直是用戶 CPU 和系統 CPU 升高，並沒見到 iowait 升高。這又是怎麼回事呢？stress 到底是不是 CPU 使用率升高的原因呢？
我們還得繼續往下走。從代碼中可以看到，給請求加入 verbose=1 參數後，就可以查看 stress 的輸出。你先試試看，在第二個終端運行：
$ curl http://192.168.0.10:10000?verbose=1
Server internal error: Array
(
[0] => stress: info: [19607] dispatching hogs: 0 cpu, 0 io, 0 vm, 1 hdd
[1] => stress: FAIL: [19608] (563) mkstemp failed: Permission denied
[2] => stress: FAIL: [19607] (394) <-- worker 19608 returned error 1
[3] => stress: WARN: [19607] (396) now reaping child worker processes
[4] => stress: FAIL: [19607] (400) kill error: No such process
[5] => stress: FAIL: [19607] (451) failed run completed in 0s
)看錯誤消息 mkstemp failed: Permission denied ，以及 failed run completed in 0s。原來 stress 命令並沒有成功，它因爲權限問題失敗退出了。看來，我們發現了一個 PHP 調用外部 stress 命令的 bug：沒有權限創建臨時文件。
從這裏我們可以猜測，正是由於權限錯誤，大量的 stress 進程在啓動時初始化失敗，進而導致用戶 CPU 使用率的升高。
分析出問題來源，下一步是不是就要開始優化了呢？當然不是！既然只是猜測，那就需要再確認一下，這個猜測到底對不對，是不是真的有大量的 stress 進程。該用什麼工具或指標呢？
我們前面已經用了 top、pidstat、pstree 等工具，沒有發現大量的 stress 進程。那麼，還有什麼其他的工具可以用嗎？
還記得上一期提到的 perf 嗎？它可以用來分析 CPU 性能事件，用在這裏就很合適。依舊在第一個終端中運行 perf record -g 命令 ，並等待一會兒（比如 15 秒）後按 Ctrl+C 退出。然後再運行 perf report 查看報告：
# 記錄性能事件，等待大約15秒後按 Ctrl+C 退出
$ perf record -g
$ find | grep perf.data
$ docker cp perf.data phpfpm:/tmp
$ docker exec -i -t phpfpm bash
$ cd /tmp/
$ apt-get update && apt-get install -y linux-perf linux-tools procps
# 查看報告
$ perf_4.9 report這樣，你就可以看到下圖這個性能報告：
你看，stress 佔了所有 CPU 時鐘事件的 77%，而 stress 調用調用棧中比例最高的，是隨機數生成函數 random()，看來它的確就是 CPU 使用率升高的元兇了。隨後的優化就很簡單了，只要修復權限問題，並減少或刪除 stress 的調用，就可以減輕系統的 CPU 壓力。
當然，實際生產環境中的問題一般都要比這個案例複雜，在你找到觸發瓶頸的命令行後，卻可能發現，這個外部命令的調用過程是應用核心邏輯的一部分，並不能輕易減少或者刪除。
這時，你就得繼續排查，爲什麼被調用的命令，會導致 CPU 使用率升高或 I/O 升高等問題。這些複雜場景的案例，我會在後面的綜合實戰裏詳細分析。
最後，在案例結束時，不要忘了清理環境，執行下面的 Docker 命令，停止案例中用到的 Nginx 進程：
$ docker rm -f nginx phpfpmexecsnoop
在這個案例中，我們使用了 top、pidstat、pstree 等工具分析了系統 CPU 使用率高的問題，並發現 CPU 升高是短時進程 stress 導致的，但是整個分析過程還是比較複雜的。對於這類問題，有沒有更好的方法監控呢？
execsnoop 就是一個專爲短時進程設計的工具。它通過 ftrace 實時監控進程的 exec() 行爲，並輸出短時進程的基本信息，包括進程 PID、父進程 PID、命令行參數以及執行的結果。比如，用 execsnoop 監控上述案例，就可以直接得到 stress 進程的父進程 PID 以及它的命令行參數，並可以發現大量的 stress 進程在不停啓動：
# 按 Ctrl+C 結束
$ execsnoop
PCOMM PID PPID RET ARGS
sh 30394 30393 0
stress 30396 30394 0 /usr/local/bin/stress -t 1 -d 1
sh 30398 30393 0
stress 30399 30398 0 /usr/local/bin/stress -t 1 -d 1
sh 30402 30400 0
stress 30403 30402 0 /usr/local/bin/stress -t 1 -d 1
sh 30405 30393 0
stress 30407 30405 0 /usr/local/bin/stress -t 1 -d 1
...execsnoop 所用的 ftrace 是一種常用的動態追蹤技術，一般用於分析 Linux 內核的運行時行爲，後面課程我也會詳細介紹並帶你使用。小結
小結
碰到常規問題無法解釋的 CPU 使用率情況時，首先要想到有可能是短時應用導致的問題，比如有可能是下面這兩種情況。
第一，應用裏直接調用了其他二進制程序，這些程序通常運行時間比較短，通過 top 等工具也不容易發現。
第二，應用本身在不停地崩潰重啓，而啓動過程的資源初始化，很可能會佔用相當多的 CPU。
對於這類進程，我們可以用 pstree 或者 execsnoop 找到它們的父進程，再從父進程所在的應用入手，排查問題的根源。
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