CPU与高速缓存（数据库）

什么是高速缓存技术:

高速缓存英文是cache。一种特殊的存储器子系统，其中复制了频繁使用的数据，以利于CPU快速访问。存储器的高速缓冲存储器存储了频繁访问的 RAM 位置的内容及这些数据项的存储地址。当处理器引用存储器中的某地址时，高速缓冲存储器便检查是否存有该地址。如果存有该地址，则将数据返回处理器；如果没有保存该地址，则进行常规的存储器访问。因为高速缓冲存储器总是比主RAM 存储器速度快，所以当 RAM 的访问速度低于微处理器的速度时，常使用高速缓冲存储器。

高速缓存的作用:

在CPU开始执行任何指令之前，都会首先从内存中取得该条指令以及其它一些相关数据和信息。为了加快CPU的运行速度，几乎所有的芯片都采用两种不同类型的内部存储器，即高速缓存。缓存被用来临时存放一些经常被使用的程序片段或数据。

一级高速缓存是性能最好缓存类型，与解释指令和执行算术运算的处理单元一到构成CPU的核心。CPU可以在全速运行的状态下读取存放在一级高速缓存中的指令或数据。Intel的处理器产品一般都会具有32K的一级缓存，而象AMD或Via这种竞争对手的产品则会使用更多的一级缓存。

如果在一级缓存中没有找到所需要的指令或数据，处理器会查看容量更大的二级缓存。二级缓存既可以被集成到CPU芯片内部，也可以作为外部缓存。Pentium II处理器具有512K的二级缓存，工作速度相当于CPU速度的一半。Celeron以及更新的Pentium III芯片则分别具有128K和256K的在片二级缓存，能够在处理器全速下运行。

对于存放在速度较慢的二级缓存中的指令或数据，处理器往往需要等待2到4个时钟周期。为了充分利用计算资源，CPU可以在这段时间内查看和执行其它正在等候处理，但不需要使用额外数据的指令，从而提高整个系统的速度，把空闲时间降低到最低程度。

作者 王文安，腾讯CSIG数据库专项的数据库工程师，主要负责腾讯云数据库 MySQL 的相关的工作，热爱技术，欢迎留言进行交流。文章首发于腾讯云+社区的腾讯云数据库专家服务专栏。

在日常工作中，发现 MySQL 的状态不太对劲的时候，一般都会看看监控指标，很多时候会看到熟悉的一幕：CPU 使用率又爆了。本文将给大家介绍 MySQL 和 CPU 之间的关系，对此有一定的了解之后可以更准确的判断出问题的原因，也能够提前发现一些引发 CPU 问题的隐患。

怎么看懂CPU使用率

以 Linux 的 top 命令为例，效果如下：

Top 命令

在 %CPU 这一列就展示了 CPU 的使用情况，百分比指代的是总体上占用的时间百分比：

%us：表示用户进程的 CPU 使用时间(没有通过 nice 调度)

%sy：表示系统进程的 CPU 使用时间，主要是内核使用。

%ni：表示用户进程中，通过 CPU 调度(nice)过的使用时间。

%id：空闲的 CPU 时间

%wa：CPU 运行时在等待 IO 的时间

%hi：CPU 处理硬中断花费的时间

%si：CPU 处理软中断花费的时间

%st：被虚拟机偷走的 CPU 时间

通常情况下，我们讨论的 CPU 使用率过高，指的是 %us 这个指标，监控里面的 CPU 使用率通常也是这个值(也有用其他的方法计算出来的，不过简单起见，不考虑其他的情况 )。其他几个指标过高也代表出 MySQL 的状态异常，简单起见，这里主要还是指 %us 过高的场景。

MySQL和线程

MySQL 是单进程多线程的结构，意味着独占的 MySQL 服务器里面，只能用 top 命令看到一行数据。

TOP 命令效果

这里能看到的是 MySQL 的进程 ID，如果要看到线程的情况，需要用top -H

TOP 命令效果

在这里能看到的是 MySQL 各个线程的 ID，可以看到 MySQL 在启动之后，会创建非常多的内部线程来工作。

这些内部线程包括 MySQL 自己用来刷脏，读写数据等 *** 作的系统线程，也包括处理用户 SQL 的线程，姑且叫做用户线程吧。用户线程有一个特殊的地方：程序端发送到 MySQL 端的 SQL，只会由一个用户线程来执行(one-thread-per-connection)，所以 MySQL 在处理复杂查询的时候，会出现“一核有难，多核围观”的尴尬现象。

参考 %us 的定义，对于 Linux 系统来说，MySQL 进程和它启动的所有线程都不算内核进程，因此 MySQL 的系统线程和用户线程在繁忙的时候，都会体现在 CPU 使用率的 %us 指标上。

什么时候CPU会100%

MySQL 干什么的时候，CPU 会 100%？从前文的分析来看，MySQL 主要是两类线程占用 CPU：系统线程和用户线程。因此 MySQL 独占的服务器上，只需要留意一下这两类线程的情况，就能 Cover 住绝大部分的问题场景。

系统线程

在实际的环境中，系统线程遇到问题的情况会比较少，一般来说，多个系统线程很少会同时跑满，只要服务器的可用核心数大于等于 4 的话，一般也不会遇到 CPU 100%，当然有一些 bug 可能会有影响，比如这个：

MySQL BUG

虽然情况比较少，但是在面对问题的常规排查过程中，系统线程的问题也是需要关注的。

用户线程

提到用户线程繁忙，很多时候肯定会第一时间凭经验想到慢查询。确实 90% 以上的时候都是“慢查询”引起的，不过作为方法论，还是要根据分析再去得出结论的~

参考 us% 的定义，是指用户线程占用 CPU 的时间多少，这代表着用户线程占用了大量的时间。

一方面是在进行长时间的计算，例如：order by，group by，临时表，join 等。这一类问题可能是查询效率不高，导致单个 SQL 语句长时间占用 CPU 时间，也有可能是单纯的数据量比较多，导致计算量巨大。另一方面是单纯的 QPS 压力高，所以 CPU 的时间被用满了，比如 4 核的服务器用来支撑 20k 到 30k 的点查询，每个 SQL 占用的 CPU 时间并不多，但是因为整体的 QPS 很高，所以 CPU 的时间被占满了。

问题的定位

分析完之后，就要开始实战了，这里根据前文的分析给出一些经典的 CPU 100% 场景，并给出简要的定位方法作为参考。

PS：系统线程的 bug 的场景 skip，以后有机会再作为详细的案例来分析。

慢查询

在 CPU 100% 这个问题已经发生之后，真实的慢查询和因为 CPU 100% 导致被影响的普通查询会混在一起，难以直观的看 processlist 或者 slowlog 来发现尊敬的大船，这时候就需要一些比较明确的特征来进行甄别。

从前文的简单分析可以看出来，查询效率不高的慢查询通常有以下几种情况：

全表扫描：Handler_read_rnd_next 这个值会大幅度突增，且这一类查询在 slowlog 中 row_examined 的值也会非常高。

索引效率不高，索引选错了：Handler_read_next 这个值会大幅度的突增，不过要注意这种情况也有可能是业务量突增引起的，需要结合 QPS/TPS 一起看。这一类查询在 slowlog 中找起来会比较麻烦，row_examined 的值一般在故障前后会有比较明显的不同，或者是不合理的偏高。

比如数据倾斜的场景，一个小范围的 range 查询在某个特定的范围内 row_examined 非常高，而其他的范围时 row_examined 比较低，那么就可能是这个索引效率不高。

排序比较多：order by，group by 这一类查询通常不太好从 Handler 的指标直接判断，如果没有索引或者索引不好，导致排序 *** 作没有消除的话，那么在 processlist 和 slowlog 通常能看到这一类查询语句出现的比较多。

当然，不想详细的分析 MySQL 指标或者是情况比较紧急的话，可以直接在 slowlog 里面用 rows_sent 和 row_examined 做个简单的除法，比如 row_examined/rows_sent >1000 的都可以拿出来作为“嫌疑人”处理。这类问题一般在索引方面做好优化就能解决。

PS：1000 只是个经验值，具体要根据实际业务情况来定。

计算量大

这一类问题通常是因为数据量比较大，即使索引没什么问题，执行计划也 OK，也会导致 CPU 100%，而且结合 MySQL one-thread-per-connection 的特性，并不需要太多的并发就能把 CPU 使用率跑满。这一类查询其实是是比较好查的，因为执行时间一般会比较久，在 processlist 里面就会非常显眼，反而是 slowlog 里面可能找不到，因为没有执行完的语句是不会记录的。

这一类问题一般来说有三种比较常规的解决方案：

读写分离，把这一类查询放到平时业务不怎么用的只读从库去。

在程序段拆分 SQL，把单个大查询拆分成多个小查询。

使用 HBASE，Spark 等 OLAP 的方案来支持。

高 QPS

这一类问题单纯的就是硬件资源的瓶颈，不论是 row_examined/rows_sent 的比值，还是 SQL 的索引、执行计划，或者是 SQL 的计算量都不会有什么明显问题，只是 QPS 指标会比较高，而且 processlist 里面可能什么内容都看不到，例如：

processlist

总结

实际上 CPU 100% 的问题其实不仅仅是单纯的 %us，还会有 %io，%sys 等，这些会涉及到 MySQL 与 Linux 相关联的一部分内容，展开来就会比较多了。本文仅从 %us 出发尝试梳理一下排查&定位的思路和方法，在分析 %io，%sys 等方面的问题时，也可以用类似的思路，从这些指标的意义开始，结合 MySQL 的一些特性或者特点，逐步理清楚表象背后的原因。

检查ESX物理服务器是否在兼容列表中，特别是BIOS的版本是否符合ESX版本的要求

开启ESX物理服务器硬件虚拟化技术VT-X,AMD-V

关闭BIOS中的英特尔SpeedStep和AMD PowerNow的CPU电源节电管理模式。节电模式使CPU低频运行，降低CPU性能。

避免在服务控制台中运行会占用过多 CPU 或内存资源的程序

限定vCenter数据库日志文件的大小或者把数据库日志的恢复模式更改为简单。

二、虚拟机的优化

安装合适版本的Vmware tools，使用vCenter或者vsphere client推荐的版本。

在虚拟机中，断开或禁用未使用的或不必要的物理硬件，例如：com端口、LPT端口、USB控制器，软盘驱动器、光盘驱动器、网络接口等

虚拟机尽量禁用屏保程序和窗口动画，在Linux上禁用X window图形桌面。

虚拟机的备份和防病毒程序运行在非高峰期，并错开计划任务的时间点。

定期做磁盘碎片的整理

配置NTP服务器。

虚拟机要定期清理快照文件。

P2V迁移成功后删除原物理硬件相关的驱动程序，删除影子设备。

三、CPU性能优化

不要过量分配虚拟CPU，尽量减少虚拟CPU的数量。

虚拟机在多处理器环境下需要处理器的速度一样，如果某个CPU速度快了，需要该CPU跑慢点儿，等待运行慢的CPU跟上。ESXtop命令中%CSTP值较高，说明该虚拟机不需要这么多CPU。

将主机上或资源池中其他虚拟机的 CPU 使用情况与此虚拟机的 CPU 使用情况值进行比较。

确定虚拟机CPU就绪时间过长是否由其 CPU 使用情况时间达到CPU 限制设置所致。如果出现这种情况，请增加虚拟机上的CPU 限制。

增加 CPU 份额以给予虚拟机更多机会运行。

增加分配给虚拟机的内存量。减少应用程序的磁盘和网络活动,这可能会降低磁盘 I/O，并减少 ESX主机对虚拟化硬件的需求。

如有必要，请在主机上升级物理 CPU。

启用节省CPU功能（例如 TCP 分段卸载、较大内存页面、巨型帧等）。

四、存储的优化

存储设备的兼容性检查，包含Firmware的版本。

HBA兼容性检查

配置存储网络的冗余路径，存储处理器是主动和被动模式，使用MRU，主动和主动模式使用FIXED。

相同读写类型的应用，尽量不用放在同一LUN上。

根据虚拟机读写的带宽，放在不同raid组的LUN上。

使用厚磁盘的模式性能优于精简磁盘。

厚置备延迟置零：默认的创建格式，创建过程中为虚拟磁盘分配所需空间。创建时不会擦除物理设备上保留的任何数据，没有置零 *** 作，当有IO *** 作时，需要等待清零 *** 作完成后才能完成IO，即：分配好空间，执行写 *** 作时才会按需要将其置零；

厚置备置零(thick)：创建支持群集功能的厚磁盘。在创建时为虚拟磁盘分配所需的空间。并将物理设备上保留的数据置零。创建这种格式的磁盘所需的时间可能会比创建其他类型的磁盘长。即：分配好空间并置零 *** 作，有IO的时无需等待任何 *** 作直接执行。

精简置备（thin）：精简配置就是无论磁盘分配多大，实际占用存储大小是现在使用的大小，即用多少算多少。当客户机有输入输出的时候，VMkernel首先分配需要的空间并进行清零 *** 作，也就是说如果使用精简配置在有IO的时候需要：等待分配空间和清零，这　两个步骤完成后才能进行 *** 作，对于IO叫频繁的应用这样性能会有所下降，虽然节省了存储空间。同一个LUN上放置不超过12台虚拟机。

使用磁盘份额区分磁盘的优先级

五、磁盘I/O性能

增加虚拟机内存。

在所有客户机上整理文件系统碎片。

禁止对 VMDK 文件进行防病毒按需扫描。

使用 Storage VMotion根据虚拟机磁盘IO读写的要求，在不同的磁盘组或者RAID组的LUN迁移 I/O 密集型虚拟机。

使用多路径切换策略，均衡存储的负载。

更改HBA卡的队列深度

删除虚拟机的快照文件

减少vmotion和DRS发生的频率

六、内存性能优化

避免内存的过量分配

仔细精确计算分配给虚拟机的内存量及VCPU数量，减少内存开销

验证是否在每个虚拟机上均安装了 VMware Tools。

如果虚拟机的内存预留值设置大大高于活动内存设置，则减少预留设置，以便 VMkernel 可以在主机上回收空闲内存供其他虚拟机使用。

将一个或多个虚拟机迁移到 DRS 群集中的其它上。

七、网络优化

SC、vmkernel、VM分属于不同的虚拟交换机。

使用VLAN技术

在物理交换机的端口上开启portfast

验证是否在每个虚拟机上均安装了 VMware Tools。

如果可能，使用 vmxnet3 网卡驱动程序，这些驱动程序可用于 VMware Tools。并对其进行了优化，以提高性能。

如果在相同 ESX/ESXi 主机上运行的虚拟机之间相互通信，则将它们连接到相同 vSwitch 以避免通过物理网络传输数据包。

使用NIC Teaming 增加网络带宽。

使用单独的物理网卡处理不同的数据流量，例如由虚拟机、iSCSI 协议、VMotion 任务和服务控制台活动生成的网络数据包。

验证物理网卡的端口速度和双工模式设置符合硬件配置，以便其发挥最大性能。

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