JAVA 应用 CPU 使用率为什么飚升？

野性酷女 2022-03-20 14:53 1096阅读 1赞

来自京东技术公众号

作为一个Java开发者，会不会有这样的疑问？

*  一个 while 死循环，会不会引起 CPU 使用率飚升？
 *  频繁 Young GC 会不会引起 CPU 使用率飚升？
 *  线程数很高的应用，CPU 使用率一定高么？
 *  CPU 使用率高的应用，线程数一定高么？
 *  BLOCKED 状态的线程会不会引起 CPU 使用率飚升？
 *  分时操作系统 CPU 是耗费 us ？ 还是耗费 sy ？

**1、CPU 使用率怎么计算？**

CPU% = 1 - idleTime / sysTime \* 100

*  idleTime：CPU处于空闲状态的时间
 *  sysTime：CPU处于用户态和内核台的时间总和

**2、CPU 使用率跟啥有关系？**

常听说计算密集型的程序是比较耗 CPU 使用率的。

那 JAVA 应用中哪些操作是比较耗 CPU 使用的？

列举日常程序中常见的耗CPU的操作：

*  频繁GC，访问量高时，有可能造成频繁的GC、甚至FGC。当调用量大时，内存分配过快，就会造成GC线程不停的执行，导致CPU飙高
 *  序列化与反序列化，后文中举了一个真实的案例，程序执行xml解析的时，调用量增大的情况下，导致了CPU被打满
 *  加密、解密
 *  正则表达式校验，曾经线上发生一次血案，正则校验将CPU打满。大概原因是：Java 正则表达式使用的引擎实现是 NFA 自动机，这种引擎在进行字符匹配会发生回溯（backtracking）
 *  线程上下文切换、当启动了很多线程，而这些线程都处于不断的阻塞状态（锁等待、IO等待等）和执行状态的变化过程中。当锁竞争激烈时，很容易出现这种情况
 *  某些线程在做无阻塞的运算，简单的例子while(true)中不停的做运算，没有任何阻塞。写程序时，如果需要做很久的计算，可以适当将程序sleep下

**3、CPU 与进程、线程有关系么？**

现在分时操作系统是通过循轮方式分配时间片进行进程调度的，如果进程在等待或阻塞，不会造成 CPU 资源使用。线程称为轻进程，共享进程资源，关于线程的调度，CPU 对于线程也是分时调度。而在 Java 中，线程的调用由 JVM 负责，线程的调度一般有两种模式，分时调度和抢占式调度。

**解惑**

**1、一个 while 死循环，会不会引起 CPU 使用率飚升？**

会的。

先不说别的，死循环会调用 CPU 寄存器进行计数，这个操作就会占用 CPU。其次，如果线程一直处于死循环状态，CPU 调用会进行线程切换么？

死循环不会让出 CPU，除非操作系统时间片到期，但死循环会不断向系统申请时间片，直到系统没有空闲时间做别的事情。

这个问题在 stackoverflow 也有人提问：why does an infinite loop of the unintended kind increase the CPU use?

地址：https://stackoverflow.com/questions/2846165/why-does-an-infinite-loop-of-the-unintended-kind-increase-the-cpu-use

**2、频繁 Young GC 会不会引起 CPU 使用率飚升？**

会的。

Young GC 本身是 JVM 进行垃圾回收的操作，会计算内存和调用寄存器，频繁 Young GC 一定是会占用 CPU。

之前有个一个案例，for 循环从数据库查询数据集合，二次封装新的数据集合，这时如果量比较大时，内存没有足够的空间存储，那么 JVM 就会 GC 回收那些不再使用的数据，因此量大的时候，就会收到 CPU 使用率报警。

**3、线程数很高的应用，CPU 使用率一定高么？**

不会。

通过 jstack 查看系统线程状态，查看整个线程数很多，但 Runable 和 Running 状态的线程不多，这时 CPU 使用率不一定会高。

之前有过一个案例，查看系统线程数 1000+，jstack 分析 900多个线程是 BLOCKED 和 WAITING 状态的，这种线程是不会占用 CPU 的。

如果线程数很高，其实大多数原因是死锁，大量线程处于 BLOCKED 和 WAITING 状态。

**4、CPU 使用率高的应用，线程数一定高么？**

不会。

同上，CPU 使用率高的关键因素还是计算密集型操作，一个线程如果有大量计算，也会造成 CPU 使用率高，也是现在为什么一个大数据脚本任务，要大规模集群共同运算才能运行的原因。

**5、BLOCKED 状态的线程会不会引起 CPU 使用率飚升？**

不一定。

CPU使用率的飙升，更多是因为上下文的切换或者runnable状态线程过多导致。Blocked状态，未必会引起CPU上升。

**6、分时操作系统 CPU us高或者sy高是什么意思？**

通过top命令，可以观察到CPU的us，sy值，示例如下：

![640_wx_fmt_png_tp_webp_wxfrom_5_wx_lazy_1_wx_co_1][]

*  us 用户空间占用CPU百分比，简单来说，us高是因为程序导致的，通过分析线程堆栈，可以很容易的定位到问题线程。
 *  sy 内核空间占用CPU百分比，sy高的时候，如果是程序问题导致，基本是因为线程上下文切换造成的。

**经验**

平时怎么定位 CPU 使用率高的原因？网上有个教程和方法，下面简述一下分析过程。首先发现某台应用 CPU 使用率高，一要看先线程数、JVM、系统 load 等参数，共同作证。二要打印 jstack，通过工具分析线程情况，推荐 fastThread 这个在线的 Thread 分析工具。

以下是线上发生的真实案例，简要介绍下：

某日晚，突然收到短信报警，CPU利用率100%。立刻dump该机器jstack，通过 http://fastthread.io/ 查看日志如下：

![640_wx_fmt_png_tp_webp_wxfrom_5_wx_lazy_1_wx_co_1 1][]

进一步查看具体日志：

![640_wx_fmt_jpeg_tp_webp_wxfrom_5_wx_lazy_1_wx_co_1][]

通过这段日志，已经定位到了具体CPU被打满的方法，接收MQ之后，MQ消息体为xml，反序列化的时候，造成了CPU飙高。

[640_wx_fmt_png_tp_webp_wxfrom_5_wx_lazy_1_wx_co_1]: /images/20220320/fd04792fef024485bd5fdeabb2f28029.png
[640_wx_fmt_png_tp_webp_wxfrom_5_wx_lazy_1_wx_co_1 1]: /images/20220320/6d3ff822ba964f7bb9949bca4780a2bc.png
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