应该怎么理解"平均负载"?

应该怎么理解"平均负载"?

每当发现系统变慢时，通常会先执行​​top​​或者​​uptime​​命令，来了解系统负载情况。

$ uptime02:34:03 up 2 days, 20:14, 1 user, load average: 0.63, 0.83, 0.88

一、​​uptime​​每列含义

02:34:03 //当前时间up 2 days, 20:14 //系统运行时间1 user //正在登录用户数

后面三个数，依次是过去 1 分钟、5 分钟、15 分钟的平均负载（Load Average）。

二、平均负载是单位时间内的CPU使用率吗？

上面的0.63可能会被认为，就代表CPU使用率是63%，其实并不是。可以通过执行​​man uptime​​命令来了解平均负载的详细解释。

平均负载：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，和CPU使用率并没有直接联系

可运行状态进程 (R进程)

指正在使用 CPU 或者正在等待CPU的进程，也就是​​ps​​命令看到的，处于R 状态（Running 或 Runnable）的进程。

不可中断状态进程 (D进程)

指正处于内核态关键流程的进程，并且这些流程是不可打断的，如：等待硬件设备的 I/O 响应，也就是​​ps​​命令中看到的D 状态（Uninterruptible Sleep，也称为 Disk Sleep）的进程。

比如，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或者中断打断的，这个时候的进程就处于不可中断状态。如果此时的进程被打断了，就容易出现磁盘数据与进程数据不一致的问题。所以，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。

可以简单理解为，平均负载就是平均活跃进程数。

平均活跃进程数，直观上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。

平均活跃进程数，最理想的，就是每个 CPU 上刚好运行着一个进程，如此每个 CPU 都得到了充分利用。如：当平均负载为2时，意味这什么？

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。

三、平均负载多少时合理

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，首先要知道系统有几个 CPU，可以通过​​top​​​命令或者从文件​​/proc/cpuinfo​​中读取

# 关于grep和wc的用法请查询它们的手册或者网络搜索$ grep 'model name' /proc/cpuinfo | wc -l2

当平均负载比CPU个数还大的时候，系统已经出现了过载 平均负载三个不同时间间隔的平均值，都需要看，分析系统负载趋势的数据来源

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。

实际生产环境中，平均负载多高时候需要重点关注？当平均负载高于CPU数量的70%的时候，就应该分析排查负载高的问题，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。

四、平均负载与 CPU 使用率

平均负载：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。

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。

两者对比

CPU密集型进程，使用大量CPU会导致平均负载升高，此时两者一致；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。

五、平均负载案例分析

说明：以下三个实例分别来看三种情况，并用​​iostat、mpstat、pidstat​​等工具，找出平均负载升高的根源。

5.1、环境准备

Linux系统（Ubuntu、CentOS均可）

机器配置：2 CPU，8 GB内存预先安装 ​​stress​​ 和 ​​sysstat​​包

# Ubuntu$ sudo apt install stress sysstat# CentOS$ sudo yum install -y epel-release$ sudo yum install -y stress$ sudo yum -y install sysstat

​​stress​​ 和 ​​sysstat​​ 工具

stress 是一个 Linux 系统压力测试工具，此处用于异常进程模拟平均负载升高的场景

sysstat包含了常用的Linux性能工具，用来监控和分析系统的性能。案例中会用到mpstat和pidstat

mpstat：是一个常用的多核CPU性能分析工具，用来时实查看每个CPU的性能指标，以及所有CPU的平均指标。pidstat：是一个常用的进程性能分析工具，用来实时查看进程的CPU、内存、I/O以及上下文切换等性能指标。

5.2、场景一：CPU密集型进程

终端一：运行 ​stress ​命令，模拟一个 CPU 使用率 100% 场景

$ stress --cpu 1 --timeout 600

终端二：运行 ​uptime​ 查看平均负载的变化情况

# -d 参数表示高亮显示变化的区域$ watch -d uptime..., load average: 1.00, 0.75, 0.39

终端三：运行 ​mpstat ​查看 CPU使用率的变化情况

# -P ALL 表示监控所有CPU，后面数字5表示间隔5秒后输出一组数据$ mpstat -P ALL 5Linux 4.15.0 (ubuntu) 09/22/18 _x86_64_ (2 CPU)13:30:06 CPU %usr %nice %sys %iowait %irq %soft %steal %guest %gnice %idle13:30:11 all 50.05 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 49.9513:30:11 0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.0013:30:11 1 100.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

从终端二中可以看到，1分钟平均负载会慢慢增加到 1.00，而从终端三中可以看到，正好有一个CPU的使用率为100%，但它们的  iowait 只有0。这说明，平均负载的升高正式由于 CPU 使用率为100%。

使用 ​pidstat​ 查询到底哪个进程导致了 CPU 使用率为100%

# 间隔5秒后输出一组数据$ pidstat -u 5 113:37:07 UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command13:37:12 0 2962 100.00 0.00 0.00 0.00 100.00 1 stress

这里可以明显看到，stress进程的CPU使用率为100%

5.4、场景二：I/O密集型进程

终端一：运行 ​stress​ 命令，但此次模拟 I/O 压力，即不停地执行 sync

$ stress -i 1 --timeout 600

终端二：运行​uptime​查看平均负载的变化情况

$ watch -d uptime..., load average: 1.06, 0.58, 0.37

终端三：运行 ​mpstat​ 查看 CPU 使用率的变化情况

# 显示所有CPU的指标，并在间隔5秒输出一组数据$ mpstat -P ALL 5 1Linux 4.15.0 (ubuntu) 09/22/18 _x86_64_ (2 CPU)13:41:28 CPU %usr %nice %sys %iowait %irq %soft %steal %guest %gnice %idle13:41:33 all 0.21 0.00 12.07 32.67 0.00 0.21 0.00 0.00 0.00 54.8413:41:33 0 0.43 0.00 23.87 67.53 0.00 0.43 0.00 0.00 0.00 7.7413:41:33 1 0.00 0.00 0.81 0.20 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 98.99

从这里可以看到，1分钟的平均负载会慢慢增加到1.06，其中一个 CPU 的系统 CPU 使用率升高到了 23.87，而 iowait 高达 67.53%。这说明，平均负载的升高是由于 iowait 的升高。

使用 ​pidstat​ 查询到底哪个进程导致iowait这么高

# 间隔5秒后输出一组数据，-u表示CPU指标$ pidstat -u 5 1Linux 4.15.0 (ubuntu) 09/22/18 _x86_64_ (2 CPU)13:42:08 UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command13:42:13 0 104 0.00 3.39 0.00 0.00 3.39 1 kworker/1:1H13:42:13 0 109 0.00 0.40 0.00 0.00 0.40 0 kworker/0:1H13:42:13 0 2997 2.00 35.53 0.00 3.99 37.52 1 stress13:42:13 0 3057 0.00 0.40 0.00 0.00 0.40 0 pidstat

可以发现，还是 stress 进程导致

5.5、场景三：大量进程的场景

当系统中运行进程超出 CPU 运行能力时，就会出现等待 CPU 的进程。

终端一：使用 ​stress​ 模拟 8 个进程

$ stress -c 8 --timeout 600

终端二：由于系统只有 2 个 CPU ，明显比 8 个进程要少得多，因此，系统的 CPU 处于严重过载状态，平均负载高达 7.97

$ uptime..., load average: 7.97, 5.93, 3.02

终端三：运行​ pidstat ​来查看进程情况

# 间隔5秒后输出一组数据$ pidstat -u 5 114:23:25 UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command14:23:30 0 3190 25.00 0.00 0.00 74.80 25.00 0 stress14:23:30 0 3191 25.00 0.00 0.00 75.20 25.00 0 stress14:23:30 0 3192 25.00 0.00 0.00 74.80 25.00 1 stress14:23:30 0 3193 25.00 0.00 0.00 75.00 25.00 1 stress14:23:30 0 3194 24.80 0.00 0.00 74.60 24.80 0 stress14:23:30 0 3195 24.80 0.00 0.00 75.00 24.80 0 stress14:23:30 0 3196 24.80 0.00 0.00 74.60 24.80 1 stress14:23:30 0 3197 24.80 0.00 0.00 74.80 24.80 1 stress14:23:30 0 3200 0.00 0.20 0.00 0.20 0.20 0 pidstat

可以看出，8 个进程在争抢 2 个 CPU ，每个进程等待 CPU 的时间（也就是代码块中的 %wait 列）高达 75%。这些超出 CPU 计算能力的进程，最终导致 CPU 过载。

六、小结

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，可以使用 mpstat、pidstat 等工具，辅助分析负载的来源。

版权声明：本文内容由网络用户投稿，版权归原作者所有，本站不拥有其著作权，亦不承担相应法律责任。如果您发现本站中有涉嫌抄袭或描述失实的内容，请联系我们jiasou666@gmail.com 处理，核实后本网站将在24小时内删除侵权内容。