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Java應(yīng)用程序的CPU使用率飆升原因詳細(xì)分析

更新時(shí)間：2024年01月24日 10:18:13 作者：愛上口袋的天空

這篇文章主要介紹了Java應(yīng)用程序的CPU使用率飆升原因詳細(xì)分析,在 Java 中,我們使用 JVM 進(jìn)行線程調(diào)度,所以一般來說,線程的調(diào)度有兩種模式：分時(shí)調(diào)度和搶占式調(diào)度,線程和進(jìn)程在阻塞或者等待時(shí),都不會(huì)使用 CPU 資源,需要的朋友可以參考下

一. 問題

while 的無限循環(huán)是否會(huì)導(dǎo)致 CPU 使用率飆升？
頻繁的 Young GC 是否會(huì)導(dǎo)致 CPU 使用率飆升？
有大量線程的應(yīng)用程序的 CPU 使用率高嗎？
CPU 使用率高的應(yīng)用程序的線程數(shù)是否很大？
處于 BLOCKED 狀態(tài)的線程是否會(huì)導(dǎo)致 CPU 使用率飆升？
分時(shí)操作系統(tǒng)中的 CPU 是消耗 us(用戶態(tài)) 還是 sy(內(nèi)核態(tài))?

二. 思考

1. 我們?nèi)绾斡?jì)算 CPU 使用率？

CPU% = (1 - idleTime / sysTime ) * 100

idleTime：CPU 的空閑時(shí)間
sysTime：CPU 處于用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的時(shí)間總和

2. 常見的 CPU 密集型操作有哪些？

人們常說，計(jì)算密集型程序就是 CPU 密集型的，那么，Java 應(yīng)用程序中有哪些操作是計(jì)算密集型的呢？

下面列出常見 CPU 密集型操作

頻繁的 GC；如果訪問量很大，可能會(huì)導(dǎo)致頻繁的GC甚至Full GC。當(dāng)調(diào)用量大時(shí)，內(nèi)存分配會(huì)非?？?，以至于 GC 線程會(huì)不斷執(zhí)行，導(dǎo)致 CPU 飆升。
序列化和反序列化
加密和解碼。
正則表達(dá)式。原因可能是Java正則表達(dá)式使用的引擎實(shí)現(xiàn)是NFA自動(dòng)機(jī)，它會(huì)在字符匹配時(shí)進(jìn)行回溯。
線程上下文切換。有很多啟動(dòng)的線程，這些線程的狀態(tài)在 Blocked（鎖等待、IO等待等）和 Running 之間不斷變化，當(dāng)鎖爭用激烈時(shí)，這種情況很容易發(fā)生。
一些線程不斷執(zhí)行非阻塞操作，例如while (true)語句。如果程序中計(jì)算時(shí)間較長，可以休眠線程。

3. CPU 與進(jìn)程和線程有關(guān)嗎？

現(xiàn)在，分時(shí)操作系統(tǒng)采用輪詢的方式為進(jìn)程調(diào)度分配時(shí)間片。如果進(jìn)程正在等待或阻塞，則它不會(huì)使用 CPU 資源。線程稱為輕進(jìn)程，共享進(jìn)程資源，因此線程調(diào)度在 CPU 中也是分時(shí)的。但是在 Java 中，我們使用 JVM 進(jìn)行線程調(diào)度，所以一般來說，線程的調(diào)度有兩種模式：分時(shí)調(diào)度和搶占式調(diào)度。線程和進(jìn)程在阻塞或者等待時(shí)，都不會(huì)使用 CPU 資源。

三. 答案

1. while的無限循環(huán)是否導(dǎo)致CPU使用率飆升？

回答：是的

分析：首先，無限循環(huán)會(huì)調(diào)用CPU寄存器進(jìn)行計(jì)數(shù)，這個(gè)操作會(huì)占用CPU資源。那么，如果線程一直處于死循環(huán)狀態(tài)，CPU會(huì)不會(huì)切換線程呢？除非操作系統(tǒng)時(shí)間片到期，否則無限循環(huán)不會(huì)放棄占用的CPU資源，并且無限循環(huán)會(huì)繼續(xù)向系統(tǒng)請求時(shí)間片，直到系統(tǒng)沒有空閑時(shí)間做其他事情。

2. 頻繁的Young GC會(huì)導(dǎo)致CPU使用率飆升嗎？

回答：是的

分析：Young GC 本身就是 JVM 進(jìn)行垃圾回收的操作，需要計(jì)算內(nèi)存和調(diào)用寄存器，因此頻繁的 Young GC 肯定會(huì)占用 CPU 資源。

讓我們來看一個(gè)真實(shí)的案例：for 循環(huán)從數(shù)據(jù)庫中查詢數(shù)據(jù)集合，然后再次封裝新的數(shù)據(jù)集合。如果內(nèi)存不夠存儲(chǔ)，JVM 會(huì)回收不再使用的數(shù)據(jù)。因此，如果需要的存儲(chǔ)空間很大，可能會(huì)收到 CPU 使用率警報(bào)。

3. 線程多的應(yīng)用CPU使用率一定高嗎？

回答：不一定

分析：如果我們通過 jstack 查看系統(tǒng)線程狀態(tài)時(shí)線程總數(shù)很大，但處于 Runnable 和 Running 狀態(tài)的線程并不多，那么 CPU 使用率不一定高。但是大多數(shù)情況下，如果線程數(shù)很大，那么常見的原因是大量線程處于 BLOCKED 和 WAITING 狀態(tài)

4. CPU 使用率高的應(yīng)用程序的線程數(shù)一定大嗎？

回答：不一定

分析：CPU 使用率高的關(guān)鍵因素是計(jì)算密集型操作。如果一個(gè)線程有大量計(jì)算，CPU使用率也可能很高，這也是一個(gè)數(shù)據(jù)腳本任務(wù)需要在大規(guī)模集群上運(yùn)行的原因。

5. 處于BLOCKED狀態(tài)的線程是否會(huì)導(dǎo)致CPU使用率飆升？

回答：不一定

分析：CPU 使用率的飆升更多是因?yàn)樯舷挛那袚Q或過多的可運(yùn)行狀態(tài)線程。處于阻塞狀態(tài)的線程不一定會(huì)導(dǎo)致 CPU 使用率上升。

6 . CPU的us和sy值在分時(shí)操作系統(tǒng)中高是什么意思？

我們可以使用 top 命令查看 CPU 的 us 和 sy 的值，如下圖所示：