CPU百分百？別慌，教你迅速排查的三種姿勢！

Part0 遇到了故障怎麼辦？

在生產上，我們會遇到各種各樣的故障，遇到了故障怎麼辦？不要慌，只有冷靜纔是解決故障的利器。

下面以一個例子爲例，在生產中碰到了CPU 100%的問題怎麼辦？

在生產中真的碰到了CPU 100%的問題，再來看這篇文章已經遲了，還是先來模擬演練下吧。怎麼模擬演練？（1）查找資料，選型排查CPU高負載問題的工具。（2）安裝一個高負載程序或手寫個高負載應用部署。（3）安裝、執行分析工具，實戰分析，找出故障原因。（4）思考與總結。

Part1 工具選型

因爲現在大部分的企業應用都是java編寫的，所以我們本次排查的高負載應用也是針對java的，但是思路其實是相同的，如果也有php、python、go等語言寫的程序，無非就是換個工具而已，排查的步驟都是類似的。

而top這個命令一定是Linux上不可動搖的資源監控工具。

以下三類工具從原生的top、jstack到功能強大的Arthas和一鍵式查找的show-busy-java-threads，它們都各有長處。在合適的環境選擇合適的工具纔是考驗一個IT人員能力的時候。

運用之道，存乎一心。

1.1 原生方法

此方法無需額外安裝工具，在沒法連接互聯網的情況下使用此方法排查效果較好。top、printf都是Linux原生命令，jstack、jstat是jdk自帶命令工具。很多功能強大的Linux和java診斷工具也是以top、jstack、jstat爲基礎命令做的封裝。注意：jstack、jstat等命令需要jdk完整安裝，linux自帶的openJdk一般無此工具，可以在java的bin目錄下查看是否有這些命令。oracle jdk 1.8下載地址：https://www.oracle.com/technetwork/java/javase/downloads/jdk8-downloads-2133151.html。

1.2 阿里開源：Arthas（阿爾薩斯）

Arthas（阿爾薩斯）是阿里巴巴開源出來的一個針對 java 的線上診斷工具，功能非常強大。Arthas的githup官網https://github.com/alibaba/arthas。Arthas 支持JDK 6+，支持Linux/Mac/Windows，採用命令行交互模式，同時提供豐富的 Tab 自動補全功能，進一步方便進行問題的定位和診斷。

1.3 淘寶開源：show-busy-java-threads

show-busy-java-threads.sh，其作者是淘寶同學【李鼎(哲良) oldratlee】，這個工具是useful-scripts工具集的其中一個工具。

useful-scripts的github網址：https://github.com/oldratlee/useful-scripts。

show-busy-java-threads用於快速排查Java的CPU性能問題(top us值過高)，自動查出運行的Java進程中消耗CPU多的線程，並打印出其線程棧，從而確定導致性能問題的方法調用。

注意：此工具的核心還是使用jdk的jstack方法，只是在其上做了封裝展示。

Part2 高負載代碼創建

查看CPU負載的工具選好了，現在我們需要弄個程序來讓CPU達到高負載運行。

以java代碼爲示例，寫一個死循環程序，基本就會導致CPU使用率百分百。

2.1 新建springboot項目

開始動手，新建springboot的maven項目，創建web服務，引入SpringBoot內置web容器，pom.xml關鍵引用jar包如下：

 <!-- 引入容器類 -->
    <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
     </dependency>

2.2 創建service：TestWhile

創建service類TestWhile，編寫死循環代碼。

    package com.yao.service;

import org.springframework.stereotype.Service;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

/**
 * @author 姚毛毛
 * @version V1.0
 * @Package com.yao.yaojiaxiaoyuan
 * @Description: 死循環demo
 * @date 2019/11/19--16:55
 */
@Service
public class TestWhile {

    /*  操作內存對象 */
    ConcurrentHashMap map = new ConcurrentHashMap();

    /**
     * 死循環，生產中千萬不要這麼寫，while(true)時一定要有退出條件
     * @param threadName 指定線程名
     */
    private  void whileTrue(String threadName) {
        // 不設置退出條件，死循環
        while (true) {

            // 在死循環中不斷的對map執行put操作，導致內存gc
            for( int i = 0; i <= 100000; i ++) {
                map.put(Thread.currentThread().getName() + i, i);
            } // end for

        }// end while
    }

    /**
     * 循環size，新建線程，調用whileTrue
     * @param size 線程數
     */
    public  void testWhile(int size) {

        // 循環size，創建多線程，併發執行死循環
        for (int i = 0; i < size; i++) {

            int finalI = i;

            // 新建並啓動線程，調用whileTrue方法
            new Thread(() -> {
                whileTrue("姚毛毛-" + finalI);
            }).start();
        }// end for
    }
}

2.3 創建Controller：TestWhile

創建rest服務，編寫get方法testWhile，調用死循環服務testWhile。package com.yao.controller;

import com.yao.service.TestWhile;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestParam;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;

@RestController
public class HelloController {

    /* 注入服務TestWhile */
    @Autowired
    TestWhile testWhile;

    /**
     * testWhile循環size生產線程，調用whileTrue方法
     * size有多少，則意味着調用了whileTrue多少次，產生了多少個死循環
     * @param size 產生線程任務
     * @return 調度成功，返回信息
     */
    @RequestMapping("/testWhile")
    public String testWhile(@RequestParam int size) {
        testWhile.testWhile(size);
        return "Hello I'm 姚毛毛!";
    }
}

2.4 打包項目，上傳測試服務器

application.properties配置如下：
# 設置應用端口
server.port=9999
# 應用訪問根目錄
server.servlet.context-path=/api

打包我們可以選擇idea或maven原生工具。

（1）利用idea開發工具，打開右側的maven project，使用package打包項目，如圖所示：

（2）使用maven命令，打開項目根目錄，在windows的cmd命令窗口中中輸入命令如下：maven clean package 打包項目爲：spring-boot-hello-1.0.jar。上傳服務器，路徑：/usr/local/games。

2.5 登錄服務器,運行項目

# 訪問上傳路徑
cd /usr/local/games

# 後臺運行jar包
java -jar spring-boot-hello-1.0.jar &

注意：請在自用的測試服務器或虛擬機上使用，千萬不要在生產機器上運行此項目。

2.6 打開瀏覽器，訪問死循環方法

打開瀏覽器，地址欄輸入 http://【IP】:9999/api/testWhile?size=20 返回“Hello I'm 姚毛毛!”，說明調用成功。

Part3 實戰分析：原生工具

實際上，很多排查工具的本質都是在原生工具上做的擴展和封裝。理解了原生工具的用法，對於更多強大的工具爲什麼能做到那樣的效果便也會心中有數了。

也有很多場景中，我們所運維的服務器是在內網環境，需要經過層層堡壘機、跳板機，此時安裝額外的排查工具較爲困難與耗時，使用原生的工具與方法則是較爲合適的選擇。

1、找到最耗CPU的進程

 命令：top –c，顯示進程運行信息列表。實例：top -c。交互1：按1，數字1，顯示多核CPU信息。交互2：鍵入P (大寫p)，進程按照CPU使用率排序。如下圖所示結果，已經在交互過程中按了數字1及大寫P。

可以看到紅框標處，測試機器的雙核CPU使用率都已經快達到100%。

而第一個進程PID是17376的就是我們要找的罪魁禍首了；可以看到進程最後一列，COMMAND註釋的進程名：“java -jar spring-boot-hello-1.0.jar”。

2、找到最耗CPU的線程

 命令：top -H -p 【PID】，顯示一個進程的線程運行信息列表。實例：top -Hp 17376 ，如下圖所示，可以看到多個高耗CPU使用率的線程。

3、轉換線程PID爲16進制

 命令：printf “%x\n” 【線程pid】，轉換多個線程數字爲十六進制，第4步使用時前面加0x。實例：printf '%x\n' 17378 17379 17412 17426，得到結果43e2、43e3、4404、4412；如下圖所示：

4、查看堆棧，定位線程

 命令：jstack 【進程PID】| grep 【線程轉換後十六進制】-A10 ，使用jstack獲取進程PID堆棧，利用grep定位線程id，打印後續10行信息。實例：jstack 17376 | grep '0x43e2' -A10 ，如下圖所示：

看上圖中的“GC task thread#0 (ParallelGC)”，代表垃圾回收線程，該線程會負責進行垃圾回收。爲什麼會有兩個線程一直在進行垃圾回收，並且佔用那麼高的CPU使用率呢？

5、存儲堆棧，批量查看

第4步也可以換個方法查看，可以先將jstack堆棧信息存儲起來。 命令：jstack 【進程PID】> 【文件】實例：jstack 17376 > yao.dump，存儲17376進程的堆棧信息。再使用cat + grep查找看看後面幾個高CPU線程的堆棧信息。實例：cat -n yao.dump | grep -A10 '0x4404'，如下圖所示：

可以看到線程0x4404【線程17426】產生堆棧信息，直指方法whileTrue。

6、GC查看

在第3步時我們看到CPU佔用率最高的並不是0x4404，而是0x43e2、0x43e3。但是並沒法看到其中是什麼類與方法，只有一條GC信息。是不是死循環導致了GC太頻繁，導致CPU使用率居高不下呢？我們使用jstat看下jvm的GC信息看看。 命令：jstat -gcutil 【進程PID】【毫秒】【打印次數】實例：jstat -gcutil 17376 2000 5，查看17376進程的GC信息，每2秒打印一次，共打印5次，如下圖所示：可以看到Full GC的次數高達506次，Full GC的持續時間很長，平均每次Full GC耗時達到9秒（4766/506，即GCT/FGC）。確實驗證了我們之前的想法，再返回第4或第5步查看其他幾個高CPU佔用率線程，找到非GC信息的堆棧，查看具體的代碼。

Part4 實戰分析：Arthas（阿爾薩斯）

1、安裝

使用curl下載安裝 curl -L https://alibaba.github.io/arthas/install.sh | sh 如圖11.8所示：

#啓動
./as.sh

注意：如果報錯“Error: telnet is not installed. Try to use java -jar arthas-boot.jar”，說明telnet沒有安裝。

# 安裝telnet
yum install telnet -y

telnet安裝完成後重新啓動。

2、啓動

（1）啓動方法一重新使用./as.sh啓動

如上圖，在啓動後，可以看到報錯信息：“Error: no available java process to attach”，意思是沒有活動的java進程。

啓動我們上面寫的java示例再重新看下。

輸入啓動命令：

Java -jar spring-boot-hello-1.0.jar &

Java進程啓動完成後，使用./as.sh重啓啓動Arthas。

如下圖所示，顯示了當前運行的java進程，按下1，則開始監控進程15458、jar包spring-boot-hello-1.0.jar。

關閉此java進程，我們再來一遍。

    # 關閉15458 進程
    Kill -9 15458
    # 重新啓動java示例
    Java -jar spring-boot-hello-1.0.jar &
    # 啓動Arthas
    ./as.sh
    # 按1進入java進程，此時java進程PID已經變成17376
    1

進入阿爾薩斯完成，如下圖，可以看到登錄路徑已經變成了[arthas@17376]$，可以輸入dashboard，進入監控頁面了。

（2）啓動方法二首先top -c查看哪個進程有問題，輸出結果如下圖：

再使用./as.sh 【PID】命令監控線程，實例命令如下：

# 打開Arthas，監控17376進程
./as.sh 17376

3、監控查看

已經進入Arthas操作界面，輸入dashboard，回車後將看到線程及堆棧信息，如圖11.13所示，arthas已經將cpu高使用率的線程給安排上了。

當然，Arthas的dashboard顯示了非常豐富的資源監控信息，不只是線程運行信息，還有堆棧使用、GC等信息。

4、thread【ID】查看線程

ctrl + c 退出dashboard界面，輸入thread 32查看線程信息，如下圖所示：

可以看到是TestWhile類中的whileTrue方法中的put方法導致cpu使用率升高。

5、jad反編譯

使用Arthas自帶的反編譯方法jad，輸入命令：jad com.yao.service.TestWhile 可以反編譯java的class查看問題函數的具體代碼,如下圖所示：

6、退出arthas

最後，既然問題已經找到，那就退出Arthas吧。輸入命令：quit，如下圖所示：

7、Arthas其他命令

Arthas還有些常用及好用的命令，命令如下：
help——查看命令幫助信息
cls——清空當前屏幕區域
session——查看當前會話的信息
reset——重置增強類，將被 Arthas 增強過的類全部還原，Arthas 服務端關閉時會重置所有增強過的類
version——輸出當前目標 Java 進程所加載的 Arthas 版本號
history——打印命令歷史
quit——退出當前 Arthas 客戶端，其他 Arthas 客戶端不受影響
stop——和shutdown命令一致
shutdown——關閉 Arthas 服務端，所有 Arthas 客戶端全部退出
keymap——Arthas快捷鍵列表及自定義快捷鍵
其他功能和具體使用教程，可以看這裏：Arthas的進階命令（https://alibaba.github.io/arthas/advanced-use.html）。

Part5 實戰分析：show-busy-java-threads（java繁忙線程查找工具）

1、方法1——快速下載 & 安裝

# 快速安裝
    source <(curl -fsSL https://raw.githubusercontent.com/oldratlee/useful-scripts/master/test-cases/self-installer.sh)

2、方法2——下載後賦權

    # 下載到當前目錄下
    wget --no-check-certificate https://raw.github.com/oldratlee/useful-scripts/release/show-busy-java-threads
# 賦權
    chmod +x show-busy-java-threads

3、命令執行定位以上兩種方法都可以下載安裝，安裝完成後，就可以直接執行了。show-busy-java-threads 如下圖所示，找到了CPU使用率前5高的線程，查找非常迅速。

從前兩個線程可以看出，與使用原生工具（jstack）看到的一樣，都是頻繁gc導致的高cpu使用率。而這gc線程出現的主要原因，則是後面幾個高CPU線程中的方法導致的。與上面兩類工具一樣，既然已經定位到問題方法，那就修改下程序吧。

4、其他命令

與Arthas一樣，show-busy-java-threads也有一些其他很好用的增強命令：show-busy-java-threads --help 查看show-busy-java-threads命令常用參數

show-busy-java-threads
從所有的 Java進程中找出最消耗CPU的線程（缺省5個），打印出其線程棧。

show-busy-java-threads -c 3
-c 3：3爲n，指定顯示最耗cpu使用率前3的線程。

show-busy-java-threads -c 3 -p 17376
展示進程17376耗費CPU組多的3個線程；
-p 17376 ：17376爲進程PID，-p參數指定進程PID。

show-busy-java-threads -s 【指定jstack命令的全路徑】
對於sudo方式的運行，JAVA_HOME環境變量不能傳遞給root，
而root用戶往往沒有配置JAVA_HOME且不方便配置，
顯式指定jstack命令的路徑就反而顯得更方便了

show-busy-java-threads -a yao.log
將輸出結果導入到指定文件yao.log中

show-busy-java-threads 3 5
每5秒執行一次，一共執行3次；缺省執行一次，缺省間隔是3秒。

5、注意事項

如果報沒有權限（可能是無權限執行jstack），需要加sudo來執行：

 # root權限執行 show-busy-java-threads
sudo show-busy-java-threads.sh

Part6 小結

學習完了三類工具的排查實戰後，我們現在來總結下，怎麼去排查問題的？

（1）查看CPU負載過高進程。（2）查看進程中負載高的線程。（3）獲取進程中的堆棧信息。（4）獲取堆棧中對應的線程信息，找到裏面的問題方法。

在排查過程中我們不只使用了原生工具，還使用了增強工具Arthas與show-busy-java-threads，大大簡化了我們排查的步驟。

再仔細想一想，增強工具其實無非就是在原生工具的基礎上，將這些方法與步驟做了一些自動化處理是不是？

如果我們自己用shell腳本去寫一個自動監控程序，是不是也可以去借鑑借鑑呢？

祝大家在遇到相似問題時，可以做到手中有刀、心中有譜，穩如老狗、不忙不慌。

最後，若無法按照Part2的代碼變異出死循環jar包，可關注公衆號，留言hello，得到名爲srping-boot-hello的jar包鏈接地址。