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Linux 性能优化 01 -- CPU 平均负载

2019/06/06 林木立 Linux 655
平均负载

一、平均负载 概念

    在Linux系统上经常使用 top 或者 uptime去查看 CPU平均负载状态。

[root@test ~]# uptime
 11:17:08 up 1 days, 12:38,  3 users,  load average: 0.06, 0.07, 0.14
[root@test ~]# top
top - 11:18:03 up 1 days, 12:39,  3 users,  load average: 0.07, 0.07, 0.14


    很多人都知道这些输出的含义:

11:17:08          当前系统时间
up 1 days         系统运行时间
3 users           当前登录系统的用户数
0.06, 0.07, 0.14  过去 1 分钟、5 分钟、15 分钟的系统平均负载


    那这个平均负载到底是什么?

    通过执行 man uptime 命令,来了解平均负载的详细解释:

uptime  gives a one line display of the following information.  The current time, how long the system has been running, how many users are currently logged on, and the system load averages for the past 1, 5, and 15 minutes.

This is the same information contained in the header line displayed by w(1).

System load averages is the average number of processes that are either in a runnable or uninterruptable state.  A process in a runnable state is either using  the CPU or waiting to use the CPU.  A process in uninterruptable state is waiting for some I/O access, eg waiting for disk.  The averages are taken over the three time intervals.  Load averages are not normalized for the number of CPUs in a system, so a load average of 1 means a single CPU system is loaded all the time while on a 4 CPU system it means it was idle 75% of the time.

    简单的说,平均负载是指单位时间内,系统处于可运行状态和不可中断状态的平均进程数,也就是平均活跃进程数,它和 CPU 使用率并没有直接关系。

    处于可运行状态的进程正在使用CPU或等待使用CPU。就是用 ps 命令看到的处于 R 状态(Running 或 Runnable)的进程。

    处于不间断状态的进程是正处于内核态关键流程中的进程( ps 命令中看到的 D 状态(Uninterruptible Sleep,也称为 Disk Sleep)的进程),这些流程是不可打断,常见的是等待硬件设备 I/O 响应,例如等待磁盘:当一个进程向磁盘读写数据时,为了保证数据的一致性,在得到磁盘回复前,它是不能被其他进程中断或者打断的。如果此时进程被打断了,就容易出现磁盘数据与进程数据不一致的问题。

    所以说:不可中断状态实际上是系统对进程和硬件设备的一种保护机制。



    平均负载其实就是平均活跃进程数,平均活跃进程数,直观上的理解就是单位时间内的活跃进程数,但它实际上是活跃进程数的指数衰减平均值。这个“指数衰减平均”的详细含义不用计较,这只是系统的一种更快速的计算方式,把它直接当成活跃进程数的平均值也没问题。

    既然平均的是活跃进程数,那么最理想的,就是每个 CPU 上都刚好运行着一个进程,这样每个 CPU 都得到了充分利用。

    比如当平均负载为 2 时,意味着:

  • 在只有 2 个 CPU 的系统上,意味着所有的 CPU 都刚好被完全占用。

  • 在 4 个 CPU 的系统上,意味着 CPU 有 50% 的的空闲。

  • 而在只有 1 个 CPU 的系统中,则意味着有一半的进程竞争不到 CPU。


二、平均负载为多少合理

    uptime显示的三个时间段的平均负载数,多大的时候能说明系统负载高?或是多小的时候就能说明系统负载很低呢?

    平均负载最理想的情况是等于 CPU 个数。所以在评判平均负载时,首先你要知道系统有几个 CPU,这可以通过 top 命令或者从文件 /proc/cpuinf 中读取,比如:

[root@test ~]# grep 'model name' /proc/cpuinfo | wc -l
16

    当平均负载比 CPU 个数还大的时候,系统已经出现了过载。

    不过,平均负载有三个数值,到底该参考哪一个呢?

    都要看。三个不同时间间隔的平均值,其实给我们提供了,分析系统负载趋势的数据来源,让我们能更全面、更立体地理解目前的负载状况。


  • 如果 1 分钟、5 分钟、15 分钟的三个值基本相同,或者相差不大,那就说明系统负载很平稳。

  • 但如果 1 分钟的值远小于 15 分钟的值,就说明系统最近 1 分钟的负载在减少,而过去 15 分钟内却有很大的负载。

  • 反过来,如果 1 分钟的值远大于 15 分钟的值,就说明最近 1 分钟的负载在增加,这种增加有可能只是临时性的,也有可能还会持续增加下去,所以就需要持续观察。一旦 1 分钟的平均负载接近或超过了 CPU 的个数,就意味着系统正在发生过载的问题,这时就得分析调查是哪里导致的问题,并要想办法优化了。



    举个例子,假设我们在一个单 CPU 系统上看到平均负载为 1.73,0.60,7.98,那么说明在过去 1 分钟内,系统有 73% 的超载,而在 15 分钟内,有 698% 的超载,从整体趋势来看,系统的负载在降低。


    在实际生产环境中,平均负载多高时,需要我们重点关注呢?

    当平均负载高于 CPU 数量 70% 的时候,你就应该分析排查负载高的问题了。一旦负载过高,就可能导致进程响应变慢,进而影响服务的正常功能。



三、平均负载与 CPU 使用率

    在实际工作中,我们经常容易把平均负载和 CPU 使用率混淆。

    

    平均负载代表的是活跃进程数,那平均负载高了,不就意味着 CPU 使用率高吗?


    回到平均负载的含义,平均负载是指单位时间内,处于可运行状态和不可中断状态的进程数。所以,它不仅包括了正在使用 CPU 的进程,还包括等待 CPU 和等待 I/O 的进程。


    而 CPU 使用率,是单位时间内 CPU 繁忙情况的统计,跟平均负载并不一定完全对应。比如:

  • CPU 密集型进程,使用大量 CPU 会导致平均负载升高,此时这两者是一致的;

  • I/O 密集型进程,等待 I/O 也会导致平均负载升高,但 CPU 使用率不一定很高;

  • 大量等待 CPU 的进程调度也会导致平均负载升高,此时的 CPU 使用率也会比较高。



四、总结

    平均负载提供了一个快速查看系统整体性能的手段,反映了整体的负载情况。但只看平均负载本身,我们并不能直接发现,到底是哪里出现了瓶颈。所以,在理解平均负载时,也要注意:

  •  平均负载高有可能是 CPU 密集型进程导致的;

  • 平均负载高并不一定代表 CPU 使用率高,还有可能是 I/O 更繁忙了;

  • 当发现负载高的时候,你可以使用 mpstat、pidstat 等工具,辅助分析负载的来源。


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