ClickHouse CPU 100%的问题排查与优化

背景

最近我们收到用户反馈，Sentry Web 无法正常刷数据，过一会儿又好了。经过初步排查，发现问题根源在于 ClickHouse 的 CPU 使用率居高不下，甚至达到了 100%，导致系统性能瓶颈。以下是我们对问题的详细分析、解决过程以及后续优化的总结，希望对遇到类似问题的团队有所帮助。

问题现象

从用户的反馈来看，Sentry Web 数据无法及时刷新，表现为页面加载缓慢甚至无响应。通过监控仪表盘，我们注意到 ClickHouse 的 CPU 使用率异常高，长时间维持在 90%-100% 之间，且 24 小时内变化不明显（如下图所示）。

上图显示，CPU 使用率波动在 90%-100% 之间。更值得注意的是，即使在凌晨流量较低的预期的流量波动规律不符。通常情况下，凌晨流量减少时，CPU 使用率应该随之下降，但实际情况并非如此。这让我们初步判断，CPU 高负载可能与流量没有直接关系，而是由其他因素导致。

原因分析

为了找到 CPU 打满的根本原因，我们从多个维度展开了排查。

1. CPU 使用率趋势与流量无关的初步判断

通过观察 24 小时的 CPU 使用率趋势，我们发现其波动幅度很小，始终维持在 90%-100% 的高水位。即使在凌晨（例如 03:00-05:00）流量较低时，CPU 使用率也没有明显下降。这与我们对流量波动的预期不符，因此我们初步判断，CPU 高负载可能与业务流量没有直接关系，而是由某些后台任务或数据处理逻辑导致。

为了进一步验证这一猜测，我们决定深入分析凌晨时间段的 CPU 使用情况，找出具体消耗 CPU 的查询或操作。

2. 使用 SQL 分析凌晨 CPU 使用情况

我们通过 ClickHouse 的system.query_log表，查询了 2025 年 3 月 13 日凌晨 02:42:35 至 04:42:35 的 CPU 使用详情，SQL 如下：

SELECT
    type,
    `initial_user`,
    query,
    read_rows,
    written_rows,
    toDateTime(`event_time`) + INTERVAL 8 HOUR as time,
    formatReadableSize(memory_usage) AS memory,
    ProfileEvents.Values[indexOf(ProfileEvents.Names, 'UserTimeMicroseconds')] AS userCPU,
    ProfileEvents.Values[indexOf(ProfileEvents.Names, 'SystemTimeMicroseconds')] AS systemCPU,
    query_duration_ms,
    normalizedQueryHash(query) AS normalized_query_hash
FROM
    system.query_log
WHERE
    time >= '2025-03-13 02:42:35'
    AND time <= '2025-03-13 04:42:35'
ORDER BY `userCPU` DESC
LIMIT 100

通过查询结果，我们发现 CPU 使用率主要被一类插入操作占据，具体查询如下：

INSERT INTO default.sessions_raw_local FORMAT JSONEachRow

这一插入操作频繁执行，且每次操作的userCPU和systemCPU消耗都较高。结合上下文，我们推测这一操作可能与 Kafka 的数据消费有关，因为sessions_raw_local表通常用于存储从 Kafka 消费的原始会话数据。

3. 排查 TPS 变化与数据行数的对比

在发现 CPU 从 2025 年 1 月 23 日开始被打满时，我们进一步分析了同一时期的其他指标。通过监控数据，我们发现：

• TPS 翻倍：从 1 月 23 日起，ClickHouse 的每秒事务数（TPS）显著增加，翻倍至平均 9.87（如下图所示），而在此之前 TPS 平均为 4.9。
• 写入数据行数无变化 ：尽管 TPS 翻倍，但written_rows（写入行数）指标没有显著变化，表明总的数据量并未增加。

上图显示，TPS 在 1 月 23 日后急剧上升，而 QPS（每秒查询数）变化较小，这进一步印证了问题可能与插入操作的频率增加有关，而非数据量的增长。

4. CPU 使用率趋势与 Kafka 消息堆积的反向关联

结合 TPS 变化，我们进一步分析了 Kafka 的消息堆积情况（如下图），发现其趋势与 CPU 使用率呈现反向关联。

从图中可以看到：

• 在 2025 年 1 月 23 日，Kafka 消息堆积到底顶峰，ClickHouse 的 CPU 使用率掉到 10% 以下。
• 1 月 23 日之后，Kafka 消息堆积开始减少，而 ClickHouse 的 CPU 使用率却急剧上升至 100%。
• 1 月 23 日 ~ 2 月 2 日之间，随着消息堆积幅度，Clickhouse 的 CPU 使用率也随着起伏
• 到了 2 月 2 日，Kafka 消息不在堆积，CPU 使用率一直保持高位

5. 关键变更：Sentry-session-consumer 副本数调整

通过进一步排查，我们发现问题的起因与 2025 年 1 月 23 日的一次变更密切相关。当天，Sentry-session-consumer 的消费副本数从 1 增加到 12，目的是提升消费速度，减少 Kafka 消息堆积。然而，这一调整带来了意想不到的后果：

• 副本数增加导致 TPS 激增 ：副本数的增加使得INSERT INTO default.sessions_raw_local FORMAT JSONEachRow操作的频率显著上升，尽管总的写入数据量（written_rows）未变，但 TPS 翻倍直接推高了 CPU 负载。
• 后台 Merge 负担加重：ClickHouse 的 MergeTree 引擎需要频繁合并数据分片以保持查询性能。TPS 的增加导致后台 Merge 操作的负担加重，进而导致 CPU 使用率飙升至 90%-100%。

2 月 2日后，看消息不在堆积，Sentry-session-consumer 的消费副本从 12 个副本缩到 2 个副本

6. 根本原因总结

通过以上分析，我们得出结论：

• 凌晨 CPU 高负载的原因 ：即使在流量低谷时，INSERT INTO default.sessions_raw_local FORMAT JSONEachRow操作仍然频繁执行，导致 CPU 使用率居高不下。这与 Sentry-session-consumer 的消费逻辑直接相关。
• TPS 翻倍的影响：1 月 23 日副本数从 1 增加到 12，导致 TPS 翻倍，尽管写入数据行数未变，但频繁的插入操作显著增加了 ClickHouse 的 Merge 负担，最终使得 CPU 使用率飙升。2 月 2 日副本数从 12 缩减到 2 个后，还是比之前的 TPS 高，导致 CPU 使用率一直维持高位。

解决方案

为了解决 CPU 打满的问题，我们采取了以下措施：

1. 调整 Sentry-session-consumer 副本数：将副本数从 2 进一步降低至 1，通过减少副本数，尽量让数据以批量的形式发送，降低总的 TPS 数量，从而减轻 ClickHouse 的 Merge 压力。

调整后的效果非常显著。如下图所示，ClickHouse 的 CPU 使用率下降了大约 40%，稳定在 50%-60% 的区间，系统性能恢复正常，Sentry Web 的数据刷新问题也随之解决。

后续优化与反思

尽管问题得到了解决，但整个排查过程耗费了大量时间，主要原因在于：

• 问题发现不及时：由于缺乏有效的 CPU 使用率告警机制，我们未能第一时间发现 1 月 23 日副本数调整带来的异常。从问题发生，到博主排查，已经过去了 1.5个月。期间肯定也影响用户使用了，但是还没到无法容忍的地步
• 上下文复杂：该 ClickHouse 实例的使用方众多，涉及多个团队，排查时需要协调大量信息，增加了难度。
• 凌晨 CPU 高负载的误判：我们最初认为 CPU 使用率会随流量波动，但实际与 Kafka 消费逻辑和 TPS 增加相关，这一误判延长了排查时间。

为了避免类似问题再次发生，我们采取了以下改进措施：

1. 补充 CPU 使用率告警：在 Prometheus 监控系统中为 ClickHouse 的 CPU 使用率设置告警规则，确保异常情况能够及时通知到。
2. 优化变更管理：在进行类似副本数调整的变更时，提前评估对下游系统（ClickHouse）的潜在影响，并实时监控关键指标。

总结

ClickHouse 作为高性能的分析型数据库，对 TPS 和 Merge 负载非常敏感。在调整上游消费者（如 Sentry-session-consumer）时，必须综合考虑对下游数据库的潜在影响。

• 关键教训 ：
  • TPS 的增加可能对 ClickHouse 的 Merge 负担产生显著影响，进而导致 CPU 打满，即使写入数据行数未变。
  • CPU 使用率不一定与业务流量直接相关，需结合system.query_log和 TPS 指标深入分析。
• 解决思路：通过减少 TPS（如降低消费者副本数、优化批处理）可以有效缓解 ClickHouse 的压力。
• 预防措施：完善的监控告警和变更评估机制是避免类似问题的关键。

希望这篇总结能为其他团队提供参考。如果你在使用 ClickHouse 或类似系统中遇到过类似问题，欢迎留言交流！