字节面试：CPU100% 如何处理？

尼恩说在前面

在40岁老架构师尼恩的读者交流群(50+)中，最近有小伙伴拿到了一线互联网企业如得物、阿里、滴滴、极兔、有赞、希音、百度、网易、美团的面试资格，遇到很多很重要的线上问题的场景题：

1.CPU100%，你是怎么处理的？

2.CPU被打满了，你是怎么处理的？

最近有小伙伴在面试字节，又遇到了红包架构问题。小伙伴支支吾吾的说了几句，面试挂了。

所以，尼恩给大家做一下系统化、体系化的梳理，使得大家内力猛增，可以充分展示一下大家雄厚的 “技术肌肉”，让面试官爱到 “不能自已、口水直流”，然后实现”offer直提”。

当然，这道面试题，以及参考答案，也会收入咱们的《尼恩Java面试宝典PDF》V171版本，供后面的小伙伴参考，提升大家的 3高架构、设计、开发水平。

最新《尼恩架构笔记》《尼恩高并发三部曲》《尼恩Java面试宝典》的PDF，请关注本公众号【技术自由圈】获取，回复：领电子书

1.cpu占用很高的3大类型，9大场景:

CPU 飙升是一个常见的问题。

在生产环境中，会出现由代码问题导致CPU占用很高，该如何诊断出是哪行java代码导致? 是大家的一项重要基本功，也是大家面试中的家常骗饭。

如果连CPU 飙升的问题都回答不清楚，都支支吾吾，面试就很难通过了

下面，尼恩用20多年的技术内功洪荒之力，给大家梳理一下 cpu占用很高的三大类型问题，9大问题场景。

在这里插入图片描述

第1大类型导致CPU100%的问题：业务类问题

在这里插入图片描述

1.1 死循环

while(true)条件

导致 CPU 占用率高的最简单但最具破坏性的编程错误之一就是死循环。

当程序中的循环缺乏正确的退出条件或条件从未满足时，就会出现这种情况，

死循环无休止地运行，消耗过多的处理器时间，导致CPU100%

1.2 死锁

发生死锁后，就会存在忙等待或自旋锁等编程问题，从而导致繁忙等待问题。

即进程在不释放 CPU 的情况下反复检查条件是否满足，会导致 CPU 占用率居高不下。

这种低效率的资源使用会妨碍 CPU 执行其他任务。

1.3 不必要的代码块

在不需要的地方使用synchronized块，会导致线程竞争和上下文切换

解决方案:尽量减少同步块的使用范围

第2大类型导致CPU100%的问题：并发类问题

在这里插入图片描述

1.4 大量计算密集型的任务

比如复杂的数学计算，图像处理，视频编码

计算密集型的任务需要大量的计算能力。在没有足够系统资源的情况下运行这些应用程序，可能会导致 CPU 占用率达到 100%，因为它们试图执行高要求的任务。

解决方案:优化算法，使用更高效的库，或者利用并行计算来分摊

1.5 大量并发线程

多个线程同时运行会导致对 CPU 资源的竞争，尤其是当其中许多线程都是资源密集型进程时。

这会导致所有线程获得的 CPU 时间减少，当每个线程都试图完成自己的任务时，CPU 时间可能会被耗尽。

1.6 大量的上下文切换

创建过多的线程，导致频繁的上下文切换

解决方案:使用线程池来管理线程的数量

第3大类型导致CPU100%的问题：内存类问题

在这里插入图片描述

1.7 内存不足

当系统内存不足时，就会将磁盘存储作为虚拟内存使用，而虚拟内存的运行速度要慢得多。

这种过度的分页和交换会导致 CPU 占用率居高不下，因为处理器需要花费更多时间来管理内存访问，而不是高效地执行进程。

1.8 频繁GC

创建大量的短生命周期的对象，频繁触发GC

解决方案: 优化代码，减少对象的创建，或者调整JVM的参数来优化

1.9 内存泄漏

程序持续分配内存但不释放，会导致频繁的GC

解决方案:使用内存分析工具VisualVM进行检测和修复

2.CPU100%定位的两大神器:

想要定位到具体是哪一行的代码导致，一般都会使用下面的两大神器

通常使用的jvm自带的工具jstack，
还有一种就是开源神器arthas，

一般而言，arthas还有其它的功能，所以选择它多一点.

在这里插入图片描述

在后面的讲解中，

会首先讲解jstack，使用jstack来解决实际遇到的问题，

然后在使用第二大神器 arthas来解决相同的问题，

大家可以在这两个工具使用过程中选择自己比较顺手的，这里推荐 arthas，关于arthas的细致学习，请参考尼恩的《arthas 学习圣经》 PDF。

此面试题的配套视频，请参见《尼恩Java面试宝典核心面试题》第二季。

3 CPU 飙升100%的解决思路与方法论

在这里插入图片描述

4 使用jstack 解决CPU 100%问题实操

使用jstack 解决CPU 100%问题，在方法论上要用到两个命令，

top 命令查看TOP N线程，
jstack命令查看堆栈信息

在这里插入图片描述

此面试题的配套视频，请参见《尼恩Java面试宝典核心面试题》第二季。

4.1.jstack命令讲解

命令jstack是java堆栈的跟踪工具，可以打印出程序中所有线程的堆栈信息，包括线程状态，调用栈信息，锁信息等。

jstack可以诊断线程死锁、内存泄漏等问题

命令格式: jstack [options] pid

常用例子: jstack -l pid，查看线程的堆栈信息

堆栈信息解读:

yupengdembp:TestYupeng yupeng$ jstack -l 43953
2024-06-08 10:14:45
Full thread dump Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (25.191-b12 mixed mode):

"Attach Listener" #10 daemon prio=9 os_prio=31 tid=0x00007fb54485a000 nid=0x3503 waiting on condition [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

   Locked ownable synchronizers:
        - None

"Service Thread" #9 daemon prio=9 os_prio=31 tid=0x00007fb5430b4000 nid=0x3203 runnable [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

   Locked ownable synchronizers:
        - None

"C1 CompilerThread2" #8 daemon prio=9 os_prio=31 tid=0x00007fb54407e800 nid=0x3103 runnable [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

   Locked ownable synchronizers:
        - None

"C2 CompilerThread1" #7 daemon prio=9 os_prio=31 tid=0x00007fb54400f800 nid=0x4203 runnable [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

   Locked ownable synchronizers:
        - None

"C2 CompilerThread0" #6 daemon prio=9 os_prio=31 tid=0x00007fb54285a000 nid=0x4403 waiting on condition [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

   Locked ownable synchronizers:
        - None

"Monitor Ctrl-Break" #5 daemon prio=5 os_prio=31 tid=0x00007fb5430ab000 nid=0x4503 runnable [0x0000700002427000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE
        at java.net.SocketInputStream.socketRead0(Native Method)
        at java.net.SocketInputStream.socketRead(SocketInputStream.java:116)
        at java.net.SocketInputStream.read(SocketInputStream.java:171)
        at java.net.SocketInputStream.read(SocketInputStream.java:141)
        at sun.nio.cs.StreamDecoder.readBytes(StreamDecoder.java:284)
        at sun.nio.cs.StreamDecoder.implRead(StreamDecoder.java:326)
        at sun.nio.cs.StreamDecoder.read(StreamDecoder.java:178)
        - locked <0x000000079570b9e0> (a java.io.InputStreamReader)
        at java.io.InputStreamReader.read(InputStreamReader.java:184)
        at java.io.BufferedReader.fill(BufferedReader.java:161)
        at java.io.BufferedReader.readLine(BufferedReader.java:324)
        - locked <0x000000079570b9e0> (a java.io.InputStreamReader)
        at java.io.BufferedReader.readLine(BufferedReader.java:389)
        at com.intellij.rt.execution.application.AppMainV2$1.run(AppMainV2.java:47)

   Locked ownable synchronizers:
        - None

"Signal Dispatcher" #4 daemon prio=9 os_prio=31 tid=0x00007fb544026000 nid=0x4603 runnable [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

   Locked ownable synchronizers:
        - None

"Finalizer" #3 daemon prio=8 os_prio=31 tid=0x00007fb544817000 nid=0x5103 in Object.wait() [0x0000700002098000]
   java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
        at java.lang.Object.wait(Native Method)
        - waiting on <0x0000000795588ed0> (a java.lang.ref.ReferenceQueue$Lock)
        at java.lang.ref.ReferenceQueue.remove(ReferenceQueue.java:144)
        - locked <0x0000000795588ed0> (a java.lang.ref.ReferenceQueue$Lock)
        at java.lang.ref.ReferenceQueue.remove(ReferenceQueue.java:165)
        at java.lang.ref.Finalizer$FinalizerThread.run(Finalizer.java:216)

   Locked ownable synchronizers:
        - None

"Reference Handler" #2 daemon prio=10 os_prio=31 tid=0x00007fb54303f800 nid=0x2c03 in Object.wait() [0x0000700001f95000]
   java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
        at java.lang.Object.wait(Native Method)
        - waiting on <0x0000000795586bf8> (a java.lang.ref.Reference$Lock)
        at java.lang.Object.wait(Object.java:502)
        at java.lang.ref.Reference.tryHandlePending(Reference.java:191)
        - locked <0x0000000795586bf8> (a java.lang.ref.Reference$Lock)
        at java.lang.ref.Reference$ReferenceHandler.run(Reference.java:153)

   Locked ownable synchronizers:
        - None

"main" #1 prio=5 os_prio=31 tid=0x00007fb54280e000 nid=0xe03 waiting on condition [0x0000700001983000]
   java.lang.Thread.State: TIMED_WAITING (sleeping)
        at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
        at com.jvm.JVMtest.main(JVMtest.java:6)

   Locked ownable synchronizers:
        - None

"VM Thread" os_prio=31 tid=0x00007fb544816800 nid=0x5303 runnable 

"GC task thread#0 (ParallelGC)" os_prio=31 tid=0x00007fb544009800 nid=0x2507 runnable 

"GC task thread#1 (ParallelGC)" os_prio=31 tid=0x00007fb54300f800 nid=0x2403 runnable 

"GC task thread#2 (ParallelGC)" os_prio=31 tid=0x00007fb543010000 nid=0x2303 runnable 

"GC task thread#3 (ParallelGC)" os_prio=31 tid=0x00007fb543010800 nid=0x2a03 runnable 

"VM Periodic Task Thread" os_prio=31 tid=0x00007fb5430b4800 nid=0x3f03 waiting on condition 

JNI global references: 15

你会发现上面的信息其实是一段一段的，摘取其中的一段为大家说明:

"main" #1 prio=5 os_prio=31 tid=0x00007fb54280e000 nid=0xe03 waiting on condition [0x0000700001983000]
   java.lang.Thread.State: TIMED_WAITING (sleeping)
        at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
        at com.jvm.JVMtest.main(JVMtest.java:6)

main:线程名称

#1:当前线程ID，从main开始，jvm会根据线程创建的顺序为其线程编号

prio:优先级的顺序，一般默认是5

os_prio:线程对应系统的优先级

tid:java内的线程id

nid:操作系统级别的线程id，是一个十六进制

关于线程的信息:

NEW:线程新建，还没开始运行

RUNNABLE:正在java虚拟机中运行的线程

BLOCKED :被阻塞，正在等待监视器锁的线程

WAITING :无限期等待另一个线程执行特定操作的线程

TIMED_WAITING:等待另一个线程执行操作达到指定等待时间的线程

TERMINATED:已经退出的线程

我们这里关注的最多的就是nid

4.2.使用jstack解决CPU占用很高的问题并定位具体行数

先来看一段代码:

package com.jvm;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class JVMCPU {
    private static ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(5);
    private static Object lock = new Object();
    public static class yupengTask implements Runnable{

        @Override
        public void run() {
            synchronized (lock){
                long sum = 0L;
                while(true){
                    sum +=1;
                }
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) {

        yupengTask yupengTask = new yupengTask();
        service.execute(yupengTask);

    }
}

将这段代码上传到linux服务器，并且使用nohup java JVMCPU &运行

在这里插入图片描述

使用top命令可以看到cpu被打满了

在这里插入图片描述

知道了进程的PID，如何找到进程下是哪个线程呢?可以使用命令top -Hp 26964，如下所示

在这里插入图片描述

从上面的图可以看到，cpu占用最多的线程是26976这个线程id，接下来就是使用jstack命令来查看程序的所有堆栈信息，但是，这里需要有一个注意的点，26876这个是一个十进制

的，使用jstack看到的nid是十六进制，所以我们需要转换，可以使用printf "%x\n"这个命令

在这里插入图片描述

接下来使用jstack -l 26964打印堆栈信息

2024-06-08 12:17:36
Full thread dump Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (25.281-b09 mixed mode):

"Attach Listener" #10 daemon prio=9 os_prio=0 tid=0x00007f006c001000 nid=0xc7f waiting on condition [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

   Locked ownable synchronizers:
	- None

"DestroyJavaVM" #9 prio=5 os_prio=0 tid=0x00007f00a0009800 nid=0x6955 waiting on condition [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

   Locked ownable synchronizers:
	- None

"pool-1-thread-1" #8 prio=5 os_prio=0 tid=0x00007f00a00f0000 nid=0x6960 runnable [0x00007f008b0ef000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE
	at JVMCPU$yupengTask.run(JVMCPU.java:14)
	- locked <0x00000000f59dfcf0> (a java.lang.Object)
	at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1149)
	at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:624)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

   Locked ownable synchronizers:
	- <0x00000000f59e0ed0> (a java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker)

"Service Thread" #7 daemon prio=9 os_prio=0 tid=0x00007f00a00d4800 nid=0x695e runnable [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

   Locked ownable synchronizers:
	- None

"C1 CompilerThread1" #6 daemon prio=9 os_prio=0 tid=0x00007f00a00b9800 nid=0x695d waiting on condition [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

   Locked ownable synchronizers:
	- None

"C2 CompilerThread0" #5 daemon prio=9 os_prio=0 tid=0x00007f00a00b6800 nid=0x695c waiting on condition [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

   Locked ownable synchronizers:
	- None

"Signal Dispatcher" #4 daemon prio=9 os_prio=0 tid=0x00007f00a00b5000 nid=0x695b runnable [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

   Locked ownable synchronizers:
	- None

"Finalizer" #3 daemon prio=8 os_prio=0 tid=0x00007f00a0082000 nid=0x695a in Object.wait() [0x00007f008b6f5000]
   java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
	at java.lang.Object.wait(Native Method)
	- waiting on <0x00000000f5988ee0> (a java.lang.ref.ReferenceQueue$Lock)
	at java.lang.ref.ReferenceQueue.remove(ReferenceQueue.java:144)
	- locked <0x00000000f5988ee0> (a java.lang.ref.ReferenceQueue$Lock)
	at java.lang.ref.ReferenceQueue.remove(ReferenceQueue.java:165)
	at java.lang.ref.Finalizer$FinalizerThread.run(Finalizer.java:216)

   Locked ownable synchronizers:
	- None

"Reference Handler" #2 daemon prio=10 os_prio=0 tid=0x00007f00a007d800 nid=0x6959 in Object.wait() [0x00007f008b7f6000]
   java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
	at java.lang.Object.wait(Native Method)
	- waiting on <0x00000000f5986c00> (a java.lang.ref.Reference$Lock)
	at java.lang.Object.wait(Object.java:502)
	at java.lang.ref.Reference.tryHandlePending(Reference.java:191)
	- locked <0x00000000f5986c00> (a java.lang.ref.Reference$Lock)
	at java.lang.ref.Reference$ReferenceHandler.run(Reference.java:153)

   Locked ownable synchronizers:
	- None

"VM Thread" os_prio=0 tid=0x00007f00a0074000 nid=0x6958 runnable 

"GC task thread#0 (ParallelGC)" os_prio=0 tid=0x00007f00a001e800 nid=0x6956 runnable 

"GC task thread#1 (ParallelGC)" os_prio=0 tid=0x00007f00a0020800 nid=0x6957 runnable 

"VM Periodic Task Thread" os_prio=0 tid=0x00007f00a00d7800 nid=0x695f waiting on condition 

JNI global references: 5

从上面的信息中，可以看到转换的结果和nid是一致的，

从下面的信息中就可以看到问题其实是出现在JVMCPU.java的14行左右，这里给出的是14行，但是实际情况是14行的附近

"pool-1-thread-1" #8 prio=5 os_prio=0 tid=0x00007f00a00f0000 nid=0x6960 runnable [0x00007f008b0ef000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE
	at JVMCPU$yupengTask.run(JVMCPU.java:14)
	- locked <0x00000000f59dfcf0> (a java.lang.Object)
	at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1149)
	at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:624)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

结合代码来看一下就很容易问题

在这里插入图片描述

此面试题的配套视频，请参见《尼恩Java面试宝典核心面试题》第二季。

5.使用arthas解决CPU占用很高的问题并定位具体行数

使用arthas解决CPU 100%问题，在方法论上要用到两个命令，

dashboard 命令查看TOP N线程，
thread 命令查看堆栈信息

在这里插入图片描述

先来运行arthas

在这里插入图片描述

输入1显示如下

在这里插入图片描述

输入dashboard命令可以看到是哪个线程占用cpu最高

在这里插入图片描述

接下来输入thread -n 3，表示最忙的前3个线程并打印信息

在这里插入图片描述

从上面的图中可以看到arthas和jstack展示的信息差不多，都定位到了JVMCPU.java的14行程序

6.死锁导致CPU占用很高的问题分析

先来看一段代码:

public class DeadlockDemo {

    // 创建两个锁对象
    private static final Object lock1 = new Object();
    private static final Object lock2 = new Object();

    public static void main(String[] args) {

        // 线程1尝试获取lock1，然后获取lock2
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            synchronized (lock1) {
                System.out.println("Thread 1: Holding lock 1...");

                try { Thread.sleep(100); } 
                catch (InterruptedException e) {}

                System.out.println("Thread 1: Waiting for lock 2...");

                synchronized (lock2) {
                    System.out.println("Thread 1: Holding lock 1 & 2...");
                }
            }
        });

        // 线程2尝试获取lock2，然后获取lock1
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            synchronized (lock2) {
                System.out.println("Thread 2: Holding lock 2...");

                try { Thread.sleep(100); } 
                catch (InterruptedException e) {}

                System.out.println("Thread 2: Waiting for lock 1...");

                synchronized (lock1) {
                    System.out.println("Thread 2: Holding lock 2 & 1...");
                }
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}