linux 知识 CPU使用率到100%了？

于由wagnwu发布

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最近，一位同事急匆匆跑过来跟我说：糟糕了，服务器CPU的使用率达100%了。

我心想不可能啊，CPU有那么多核，怎会跑满？于是看了一眼，结果虚惊一场。

这位同事看到的100%，并非指整个CPU使用率到了100%，而是指CPU某些核的使用率到了100%.

趁此机会，我来聊聊与CPU相关的概念，对很多软件开发和运维人员来说，这些概念是必须要掌握的：

  • CPU主频

  • 多个CPU

  • 多核CPU

  • 逻辑核(超线程)

  • 大小端

以一款CPU为例，看下具体参数：

      

CPU主频(时钟频率) 

在上面这些参数中，人们最熟知的是CPU主频(时钟频率)。买电脑时，肯定需要看CPU主频是多少。

我们知道：CPU时钟越快，产生上升沿/下降沿的速度就越快，就能更快地迫使其它器件做相应工作。

CPU的时钟，就像龙舟比赛的击鼓人，击鼓频率越快，就迫使划船的人跟上节奏，结果龙舟也越快。

从CPU参数可以看到，该CPU有12个物理核，每个物理核对应2个逻辑核(超线程技术)。所以，从外部看，该CPU有24个核(逻辑核)。

也就是说，该CPU有12个物理上的运算器&控制器，有24个逻辑上的运算器&控制器。

多个CPU

我们看linux命令lscpu给出的信息：

Socket(s): 2

可以看到，在这台服务器上，总共插了2个CPU,  这2个CPU是物理上的CPU, 人眼可以看到，手也可以触摸到：

多核CPU

我们看linux命令lscpu给出的信息：
Core(s) per socket: 12
可以看到，针对每一个物理CPU而言，内部有12个物理核。也就是说，在一个物理CPU内，有12个物理层面的运算器&控制器，它们是实实在在存在的。
很霸气的感觉，12个物理核如下图所示：
 

逻辑核(超线程)

我们看linux命令lscpu给出的信息：
Thread(s) per core:    2
由于Intel采用了超线程技术，所以每个物理核对应2个逻辑核：
要注意，在物理上看来，只有一个核，但采用了超线程技术，在使用时，实际效果是2个核在同时并行(不是同步并发)工作，也即有2个逻辑核，如下图所示：

那么，在上面这台服务器中，有多少个逻辑核呢？
服务器中插有2个物理CPU, 每个物理CPU有12个物理核，每个物理核有2个逻辑核，故总共48个逻辑核。
因此，当操作系统俯视CPU硬件时，它看到的是，在计算机中，有48个核，即有48个运算器&控制器。
 
对于操作系统而言，它可以认为有48个CPU核在同时并行(不是同步并发)为它提供服务，lscpu查出的信息如下：
CPU(s):                48
这里的48个CPU(s), 其实就是48个逻辑核。有时，我们也可以说，这台服务器有48个核。
这台服务器有2个CPU, 针对其中一个CPU，我们也可以说，它是”12核24线程“。

操作系统对核的分配

需要注意的是，如上的服务器有2个CPU,  每个CPU有12物理核，每个物理核有2个逻辑核，这仅仅是针对特定服务器和CPU的。
其他计算机或者CPU, 就不一定如此了。来看我的另外一台服务器，配置略微寒酸：总共只有1个CPU, 1个物理核，1个逻辑核:
ubuntu@VM-0-15-ubuntu:~$ lscpu
Architecture:          
x86_64CPU op-mode(s):        
32-bit, 64-bitByte Order:           
 Little EndianCPU(s):                
1On-line CPU(s) list:   
0Thread(s) per core:    
1Core(s) per socket:    
1Socket(s):             
1NUMA node(s):          
1Vendor ID:            
 GenuineIntelCPU family:            
6Model:                 
79Model name:            
Intel(R) Xeon(R) CPU E5-26xx v4Stepping:              
1CPU MHz:               2394.446BogoMIPS:              
4788.89Hypervisor vendor:     KVMVirtualization type:   fullL1d cache:             
32KL1i cache:             32KL2 cache:              4096KNUMA node0 CPU(s):     0Flags:                
 fpu vme de pse tsc msr pae mce cx8 apic sep mtrr pge mca cmov pat pse36 clflush mmx fxsr sse sse2 ss ht 
syscall nx lm constant_tsc rep_good nopl eagerfpu pni pclmulqdq ssse3 fma cx16 pcid sse4_1 sse4_2 x2apic 
movbe popcnt tsc_deadline_timer aes xsave avx f16c rdrand hypervisor lahf_lm abm 3dnowprefetch bmi1 avx2 bmi2 
rdseed adx xsaveopt
ubuntu@VM-0-15-ubuntu:~$
 
如果在这个单核服务器上，运行如下的死循环程序，会如何呢？
#include
int main(){ while(1); // 死循环 return 0;}
 
观察top命令给出的结果，可以看到，1个进程就消耗了大约99.0%的CPU，整个CPU的使用率达到99.7%：
        
那么，如果开启2个进程并发执行呢？可以看到，每个进程几乎都是占用49.x%的CPU，整个CPU的使用率达到99.7%：
那么，如果开启3个进程并发执行呢？可以看到，每个进程几乎都是占用32.x%的CPU，整个CPU的使用率达到98.7%：
可以看到，整个CPU几乎被瓜分殆尽。这种调度和分配，是由操作系统完成的。
 
再来看多核CPU的情况，我找了另一台服务器，有32个逻辑核，简称32个核。运行一下死循环进程，用top命令来分析。
可以看到，1个进程占满1个核，使用率100%， 而服务器32个核的使用率是3.6%：
运行2个进程，可以看到，2个进程都占用99.7%的核，而服务器32个核的使用率是6.5%：
运行3个进程，可以看到，3个进程都占用100%的核，而服务器32个核的使用率是9.8%：
看到使用率为100%时，不要紧张，不要以为CPU就用完了，这台服务器有32个核呢(拥有3200%的能力)。
来看下3个进程时，每个核的具体使用情况(3个进程，总共大概占用300%的核)：
这些值会动态地变化，而且不一定是消耗在某些固定的核上。核的调度和资源分配，由操作系统来完成：

CPU大小端

最后，来看一个大小端的问题，看lscpu命令的信息：
Byte Order: Little Endian
它的含义是: CPU是小端模式。相信几乎所有的程序员都听说过这个概念，我们具体来测试一下。
 
下面是在Intel CPU + Windows + VC++6.0上的测试结果，可以看到：低位的0x78存储在地址较小的位置(小端模式)：
 
下面是对8051单片机进行的仿真测试，可以看到：高位的0x12存储在地址较小的位置(大端模式)：
至此为止，我们对CPU的基本参数有了大致了解，这也是linux相关的开发、运维人员必须掌握的。
以后也可以谈笑风生地聊多个CPU、多核CPU、逻辑核和大小端了，而不是一如既往地一知半解。

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