前言

做為一個性能測試工程師，每當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)變慢的時候，我們通常的標(biāo)準(zhǔn)姿勢就是執(zhí)行 uptime 或 top 命令，來了解系統(tǒng)的負(fù)載情況。

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比如像下面這樣，我在命令行里輸入了 uptime 命令，系統(tǒng)會返回一行信息。

但我想問的是，各位同學(xué)知道以上每列輸出的含義嗎?

20:44 # 當(dāng)前時間up 21 days, 6:41 # 系統(tǒng)運(yùn)行時間2 users # 正在登錄用戶數(shù)# 系統(tǒng)的平均負(fù)載，分別是1分鐘、5分鐘、15分鐘內(nèi)系統(tǒng)的平均負(fù)載load averages: 2.85 2.33 2.91

這行信息的后半部分，顯示 "load average"，它的意思是"系統(tǒng)的平均載荷"，里面有三個數(shù)字，我們可以從中判斷系統(tǒng)負(fù)載是大還是小。

什么是系統(tǒng)平均負(fù)載?

我猜一定會有同學(xué)會說，平均負(fù)載不就是單位時間的 CPU 使用率嗎?上面 2.85，就代表 CPU 使用率是 285%。其實(shí)不是這樣的。

CPU 負(fù)載值在 Linux 系統(tǒng)中表示正在運(yùn)行，處于可運(yùn)行狀態(tài)的平均作業(yè)數(shù)(讀取一組與流程執(zhí)行線程對應(yīng)的機(jī)器語言的程序指令)，或者非常重要，休眠但不可中斷(不可交錯的休眠狀態(tài)))。也就是說，要計(jì)算 CPU 負(fù)載的值，只考慮正在運(yùn)行或等待分配 CPU 時間的進(jìn)程。不考慮正常的休眠過程(休眠狀態(tài))，僵尸或停止的過程。

簡單來說，平均負(fù)載是指單位時間內(nèi)，系統(tǒng)處于可運(yùn)行狀態(tài)和不可中斷狀態(tài)的平均進(jìn)程數(shù)，也就是平均活躍進(jìn)程數(shù)，它和 CPU 使用率并沒有直接關(guān)系。

進(jìn)程狀態(tài)代碼 R 正在運(yùn)行或可運(yùn)行(在運(yùn)行隊(duì)列中) D 不間斷睡眠(通常為IO) S 可中斷睡眠(等待事件完成) Z 失效/僵尸，終止但未被其父 T 停止，由作業(yè)控制停止信號或因?yàn)樗蛔粉?[...]

這里先解釋下，可運(yùn)行狀態(tài)和不可中斷狀態(tài)。

可運(yùn)行狀態(tài)的進(jìn)程，指的是正在使用CPU或者正在等待CPU的進(jìn)程，也就是我們常用 ps 命令看到處于 R 狀態(tài)(Running 或 Runnable)的進(jìn)程。

不可中斷狀態(tài)的進(jìn)程，指的是正處于內(nèi)核態(tài)關(guān)鍵流程中的進(jìn)程，并且這些流程是不可打斷的，比如常見是等待硬件設(shè)備的 I/O 響應(yīng)。也就是我們在Ps 命令看到的D狀態(tài)(Uninterruptible Sleep，也稱為 Disk Sleep)的進(jìn)程。 比如，當(dāng)一個進(jìn)程向磁盤讀寫數(shù)據(jù)時，為了保證數(shù)據(jù)的一致性，在得到磁盤回復(fù)前，它是不能被其他進(jìn)程或者中斷打斷的，這個時間的進(jìn)程就處于不可中斷狀態(tài)。如果此時的進(jìn)程被打斷，就容易出現(xiàn)磁盤數(shù)據(jù)與進(jìn)程數(shù)據(jù)不一致的問題。

所以，不可中斷狀態(tài)實(shí)際上是系統(tǒng)對進(jìn)程和硬件設(shè)備的一種保護(hù)機(jī)制。

因此，我們可以簡單理解為，平均負(fù)載其實(shí)就是平均活躍進(jìn)程數(shù)。平均活躍進(jìn)程數(shù)，直觀上的理解就是單位時間內(nèi)的活躍進(jìn)程數(shù)。 既然平均的是是活躍進(jìn)程數(shù)，那么理想的是，每個CPU上都剛好運(yùn)行著一個進(jìn)程，這樣每個CPU都得到了充分利用。

以下是單核處理器計(jì)算機(jī)中不同負(fù)載值的含義：

• 0.00：沒有任何作業(yè)正在運(yùn)行或等待 CPU 執(zhí)行，即 CPU 完全空閑。因此，如果正在運(yùn)行的程序(進(jìn)程)需要執(zhí)行任務(wù)，它會向 CPU 請求操作系統(tǒng)，并立即為該進(jìn)程分配 CPU 時間，因?yàn)闆]有其他進(jìn)程在競爭它。
• 0.50：沒有任何作業(yè)在等待，但 CPU 正在處理以前的作業(yè)，并且它正在以 50% 的容量進(jìn)行處理。在這種情況下，操作系統(tǒng)還可以立即將 CPU 時間分配給其他進(jìn)程，而無需將其置于保持狀態(tài)。
• 1.00：隊(duì)列中沒有作業(yè)，但 CPU 正在以 100% 的容量處理先前的作業(yè)，因此如果新進(jìn)程請求 CPU 時間，則必須將其保留到另一個作業(yè)完成或當(dāng)前 CPU 插槽時間(例如，CPU tick)到期，操作系統(tǒng)決定哪一個是下一個給定的進(jìn)程優(yōu)先級。
• 1.50：CPU 工作在其容量的 100%，15個工作中有5個請求CPU時間，即 33.33%，必須排隊(duì)等待其他人耗盡他們分配的時間。因此，一旦超過1.0 的閾值，就可以說系統(tǒng)過載，因?yàn)樗荒芰⒓刺幚硭埱蟮?100% 的工作。

那么很顯然，"load average"的值越低，比如等于0.2或0.3，就說明服務(wù)器的工作量越小，系統(tǒng)負(fù)載比較低。

一個類比

上面還看太懂怎么辦?沒事，我們來看一個簡單的類比例子。

先假設(shè)最簡單的情況，你的計(jì)算機(jī)只有一個 CPU，所有的運(yùn)算都必須由這個 CPU 來完成。

那么，我們不妨把這個 CPU 想象成一座大橋，橋上只有一根車道，所有車輛都必須從這根車道上通過。(很顯然，這座橋只能單向通行。)

系統(tǒng)負(fù)載為 0，意味著大橋上一輛車也沒有。

系統(tǒng)負(fù)載為 0.5，意味著大橋一半的路段有車。

系統(tǒng)負(fù)載為 1.0，意味著大橋的所有路段都有車，也就是說大橋已經(jīng)"滿"了。但是必須注意的是，直到此時大橋還是能順暢通行的。

系統(tǒng)負(fù)載為 1.7，意味著車輛太多了，大橋已經(jīng)被占滿了(100%)，后面等著上橋的車輛為橋面車輛的 70%。以此類推，系統(tǒng)負(fù)載 2.0，意味著等待上橋的車輛與橋面的車輛一樣多;系統(tǒng)負(fù)載 3.0，意味著等待上橋的車輛是橋面車輛的 2 倍?？傊?dāng)系統(tǒng)負(fù)載大于 1，后面的車輛就必須等待了;系統(tǒng)負(fù)載越大，過橋就必須等得越久。

CPU 的系統(tǒng)負(fù)載，基本上等同于上面的類比。大橋的通行能力，就是CPU 的***工作量;橋梁上的車輛，就是一個個等待 CPU 處理的進(jìn)程(process)。

如果CPU 每分鐘最多處理100個進(jìn)程，那么系統(tǒng)負(fù)載0.2，意味著CPU在這 1 分鐘里只處理 20 個進(jìn)程;系統(tǒng)負(fù)載 1.0，意味著 CPU 在這 1 分鐘里正好處理 100 個進(jìn)程;系統(tǒng)負(fù)載 1.7，意味著除了 CPU 正在處理的100 個進(jìn)程以外，還有 70 個進(jìn)程正排隊(duì)等著CPU處理。

為了計(jì)算機(jī)順暢運(yùn)行，系統(tǒng)負(fù)載***不要超過 1.0，這樣就沒有進(jìn)程需要等待了，所有進(jìn)程都能***時間得到處理。很顯然，1.0 是一個關(guān)鍵值，超過這個值，系統(tǒng)就不在***狀態(tài)了，你要動手干預(yù)了。

多處理器和多核系統(tǒng)

在具有多個處理器或核心(多個邏輯 CPU)的系統(tǒng)中，CPU 負(fù)載值的含義取決于系統(tǒng)中存在的處理器數(shù)量。因此，具有4 個處理器的計(jì)算機(jī)在達(dá)到4.00的負(fù)載之前將不會以100%使用，因此在解釋由 top，htop 或正常運(yùn)行時間等命令提供的3個負(fù)載值時，你必須要做的***件事 就是將它們分開。系統(tǒng)中存在的邏輯CPU數(shù)量，并從中得出結(jié)論。

舉個例子，如果你的計(jì)算機(jī)裝了 2 個 CPU，會發(fā)生什么情況呢? 2 個 CPU，意味著計(jì)算機(jī)的處理能力翻了一倍，能夠同時處理的進(jìn)程數(shù)量也翻了一倍。 還是用大橋來類比，兩個 CPU 就意味著大橋有兩根車道了，通車能力翻倍了

所以，2 個CPU表明系統(tǒng)負(fù)載可以達(dá)到 2.0，此時每個 CPU 都達(dá)到 100%的工作量。推廣開來，n 個 CPU 的計(jì)算機(jī)，可接受的系統(tǒng)負(fù)載***為n.0。

芯片廠商往往在一個 CPU 內(nèi)部，包含多個CPU核心，這被稱為多核CPU。

在系統(tǒng)負(fù)載方面，多核 CPU 與多 CPU 效果類似，所以考慮系統(tǒng)負(fù)載的時候，必須考慮這臺計(jì)算機(jī)有幾個 CPU、每個 CPU 有幾個核心。然后，把系統(tǒng)負(fù)荷除以總的核心數(shù)，只要每個核心的負(fù)荷不超過 1.0，就表明計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行。 怎么知道電腦有多少個 CPU 核心呢?

延伸閱讀：

性能基礎(chǔ)之CPU、物理核、邏輯核概念與關(guān)系

CPU使用率

如果我們觀察在給定時間間隔內(nèi)通過 CPU 的不同進(jìn)程，則利用率百分比將表示相對于 CPU 執(zhí)行與每個進(jìn)程相對應(yīng)的指令的那個時間間隔的時間部分。但這種計(jì)算只運(yùn)行的進(jìn)程，而不是那些正在等待，無論它們是在隊(duì)列(可運(yùn)行狀態(tài))還是睡著但不可中斷(例如在等待輸入/輸出操作的結(jié)束)被認(rèn)為。 因此，這個指標(biāo)可以讓我們了解哪些進(jìn)程***程度地?cái)D壓 CPU，但是如果系統(tǒng)狀態(tài)過載或者未充分利用，則不能給出真實(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)圖。

現(xiàn)實(shí)工作中，我們經(jīng)常容易把平均負(fù)載和 CPU 使用率混淆，從上面我們知道平均負(fù)載是指單位時間內(nèi)，處于可運(yùn)行狀態(tài)和不可中斷狀態(tài)的進(jìn)程數(shù)。所以，它不僅包括正在使用 CPU 的進(jìn)程，還包括等待 CPU 和等待I/O 的進(jìn)程。而 CPU使用率，從上面的解釋我們知道是單位時間內(nèi)繁忙程度，跟平均負(fù)載并不一定完全對應(yīng)。比如：

• CPU 密集型進(jìn)程，使用大量 CPU 會導(dǎo)致平均負(fù)載升高，這時候兩者是一致的。
• I/O 密集型進(jìn)程，等待 I/O 也會導(dǎo)致平均負(fù)載升高，但 CPU 使用率不一定很高。
• 大量等待 CPU 的進(jìn)程調(diào)度也會導(dǎo)致平均負(fù)載很高，此時的 CPU 使用率也會比較高。

注意輸入/輸出(I / O)操作

在本文反復(fù)強(qiáng)調(diào)了不間斷睡眠狀態(tài)非常重要 (***張圖中的D)，因?yàn)橛袝r你可以在計(jì)算機(jī)中找到非常高的負(fù)載值，然而不同的運(yùn)行過程使用率相對較低。如果你不考慮這種狀態(tài)，你會發(fā)現(xiàn)情況莫名其妙，你將不知道如何處理它。當(dāng)進(jìn)程等待某個資源的釋放并且其執(zhí)行不能被中斷時，例如當(dāng)它等待不可中斷的 I/O 操作時，進(jìn)程處于此狀態(tài)完成(并非所有都是不可中斷的)。通常，這種情況是由于磁盤故障，網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)(如NFS故障)或大量使用非常慢的設(shè)備(例如USB 1.0 pendrive)而發(fā)生的。

在這種情況下，我們將不得不使用替代工具，如 iostat 或 iotop，它們將指示哪些進(jìn)程正在執(zhí)行更多的 I/O 操作，以便我們可以殺死這些進(jìn)程或?yàn)樗鼈兎峙漭^少的優(yōu)先級(nice命令)能夠?yàn)槠渌P(guān)鍵的進(jìn)程分配更多的CPU 時間。

一些技巧

系統(tǒng)過載并超過1.0的負(fù)載值有時不是問題，因?yàn)榧词褂幸恍┭舆t，CPU也會處理隊(duì)列中的作業(yè)，負(fù)載將再次降低到1.0以下的值。但是如果系統(tǒng)的持續(xù)負(fù)載值大于1，則意味著它無法吸收執(zhí)行中的所有負(fù)載，因此其響應(yīng)時間將增加，系統(tǒng)將變得緩慢且無響應(yīng)。高于1的高值，尤其是***5分鐘和15分鐘的負(fù)載平均值是一個明顯的癥狀，要么我們需要改進(jìn)計(jì)算機(jī)的硬件，通過限制用戶可以對系統(tǒng)的使用來節(jié)省更少的資源，或者除以多個相似節(jié)點(diǎn)之間的負(fù)載。

因此，我們提出以下建議：

• >=0.70：沒有任何反應(yīng)，但有必要監(jiān)控 CPU 負(fù)載。如果在一段時間內(nèi)保持這種狀態(tài)，就必須在事情變得更糟之前進(jìn)行調(diào)查。
• >=1.00：存在問題，您必須找到并修復(fù)它，否則系統(tǒng)負(fù)載的主要高峰將導(dǎo)致您的應(yīng)用程序變慢或無響應(yīng)。
• >=3.00：你的系統(tǒng)變得 非常慢。甚至很難從命令行操作它來試圖找出問題的原因，因此修復(fù)問題需要的時間比我們之前采取的行動要長。你冒的風(fēng)險(xiǎn)是系統(tǒng)會更飽和并且肯定會崩潰。
• >=5.00：你可能無法恢復(fù)系統(tǒng)。你可以等待奇跡自發(fā)降低負(fù)載，或者如果你知道發(fā)生了什么并且可以負(fù)擔(dān)得起，你可以在控制臺中啟動 kill-9 之類的命令 ，并祈求它運(yùn)行在某些時候，以減輕系統(tǒng)負(fù)荷并重新獲得其控制權(quán)。否則，你肯定別無選擇，只能重新啟動計(jì)算機(jī)。