Java CPU飙升排查

一、概述

CPU 是整个电脑的核心计算资源，CPU的最小执行单元是线程；

在现代操作系统中，进程和线程是两种主要的调度单位；

进程是程序中正在运行的一个应用程序，而线程是系统分配处理器时间资源的基本单位。一个进程至少包括一个线程，通常称为主线程，而操作系统通过调度线程来高效地分配和管理CPU资源‌；

进程‌：进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位，是一个具有一定独立功能的程序在数据集上的一次动态执行过程。进程之间相互独立，每个进程运行在其专用的且受保护的内存空间中‌；

线程‌：线程是进程中的一个相对独立的执行单元，是CPU调度的最小单位。一个进程可以包含多个线程，这些线程共享进程的资源，但可以并行执行不同的任务‌ ；

二、原因分析

1.CPU 上下文切换过多

对于 CPU 来说，同一时刻下每个 CPU 核心只能运行一个线程，如果有多个线程要执行，CPU 只能通过上下文切换的方式来执行不同的线程。

具体步骤包括：

1、保存当前上下文：将当前进程或线程的寄存器值、程序计数器、堆栈指针等信息保存到进程控制块（PCB）或线程控制块（TCB）中。

2、选择下一个要运行的任务：操作系统根据调度算法选择下一个运行的进程或线程。

3、加载新上下文：从选定的进程或线程的PCB/TCB中恢复其状态信息，如寄存器值和程序计数器等。

4、切换到新任务：CPU开始执行新选择的进程或线程。

这个过程需要 CPU 执行内核相关指令实现状态保存，如果较多的上下文切换会占据大量 CPU 资源，从而使得 cpu 无法去执行用户进程中的指令，导致响应速度下降。

在 Java 中，文件 IO、网络 IO、锁等待、线程阻塞等操作都会造成线程阻塞，从而触发上下文切换；

大量的 IO 操作，例如读写文件、网络通信等；

2.CPU 资源过度消耗

在程序中创建了大量的线程，或者有线程一直占用 CPU 资源无法被释放，比如死循环、不合理的递归操作；

大量的计算操作，例如复杂的算法、大量的数值计算等；

大量的数据库操作，导致数据库连接池的耗尽和数据库负载过高；

大量的线程创建和销毁操作，以及线程间的竞争和同步操作；

频繁GC；

1.代码中某个位置读取数据量较大，导致系统内存耗尽，从而导致Full GC次数过多；

2.JVM堆内存设置得太小，应用程序可能需要频繁地创建新对象，导致堆内存很快被填满，从而导致Full GC次数过多；

3.长时间持有不再使用的对象引用，导致这些对象不能被回收，随着时间的推移，内存泄漏；

4.创建了很多生命周期很短的对象，这些对象死后很快就会变成垃圾，增加了GC的压力；、5.频繁分配大对象（如大数组或大字符串）可能导致老年代内存很快被填满，触发Full GC；

三、排查

1.CPU

1.使用 top 命令：找出哪个 Java 进程（PID）占用了较高的 CPU 资源。

例如，发现某个 java 进程占用了大部分 CPU 资源，比如 PID 为 123456。

2.使用 top -H -p <PID>：查看特定进程（如 Java 进程）中各个线程的 CPU 占用情况。

top -H -p 123456

该命令会显示每个线程的 CPU 使用情况以及线程 ID (TID)，帮助找出哪个线程可能引发了高 CPU 占用。

3.将线程 ID 转换为十六进制

Java 堆栈中使用的是十六进制的线程 ID，需将 top 命令中获取的线程 ID 转换为十六进制，便于后续匹配：

例如，如果 TID 是 456789，可以执行：

printf "%x\n" 456789

得到的输出为 6f855，这个 ID 将用于查找 Java 堆栈中的问题线程。

4.生成 Java 进程的线程栈

一旦确定了可能的问题线程 ID，使用 jstack 或 jcmd 来获取 Java 线程的堆栈信息。

使用 jstack 命令：生成特定 Java 进程的线程栈信息。

jstack -l 1234 > log.txt

使用 jcmd：

jcmd <PID> Thread.print > log.txt

生成的 log.txt 文件将包含所有线程的堆栈信息。

5.分析线程栈

通过 jstack 或 jcmd 获取的线程栈中，找到与高 CPU 占用对应的线程，方法是根据之前转换为十六进制的 TID 来搜索线程。

例如：

"Thread-1" #10 prio=5 os_prio=0 tid=0x00007f84600c0800 nid=0x6f855 runnable [0x00007f845c7a1000] java.lang.Thread.State: RUNNABLE at com.example.MyClass.myMethod(MyClass.java:123) at ...其中，nid=0x162e 对应的正是 top 命令中显示高 CPU 占用的线程。

查看该线程的堆栈信息，可以推断线程是否处于繁忙的循环、锁竞争、IO阻塞等情况。