CPU性能篇-平均负载
建立起整体性能的全局观
不需要了解每个组件的所有实现细节
uptime
$ uptime
02:34:03 up 2 days, 20:14, 1 user, load average: 0.63, 0.83, 0.88
参数解析
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
过去 1 分钟、5 分钟、15 分钟的平均负载（Load Average）
Linux进程状态 top ps
在top和ps命令中有一列显示进程状态，分别有如下值
| 值 | 含义 | 备注 |
|---|---|---|
| S | 进程处于interruptable sleep状态 | na |
| D | 进程处于Uninterruptable sleep状态 | na |
| R | 进程处于运行状态 | na |
| Z | 进程处于僵尸状态 | na |
| T | Stop模式，进程要么处于被调试状态 | na |
interruptable sleep
所谓可运行状态的进程，是指正在使用 CPU 或者正在等待 CPU 的进程，也就是我们常用 ps 命令看到的，处于 R 状态（Running 或 Runnable）的进程。
进程等待某个资源处于sleep状态，此时可以通过发送信号将这个进程唤醒。例如发送kill 信号。
uninterruptable sleep
进程在内核中某些不能被信号打断，例如对某些硬件设备进行操作时刻（等待磁盘Io,等待网络io等等）。进程处于D状态一般情况下很短暂，不应该被top或者ps看到。如果进程在top和ps看到长期处于D状态，那么可能进程在等待IO时出现了问题导致进程一直等待不到IO资源 此时如果要处理掉这个D进程，那么只能重启整个系统才会恢复。因为此时整个进程无法被kill 掉。
**不可中断状态的进程则是正处于内核态关键流程中的进程，并且这些流程是不可打断的，**比如最常见的是等待硬件设备的 I/O 响应，也就是我们在 ps 命令中看到的 D 状态（Uninterruptible Sleep，也称为 Disk Sleep）的进程。
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。
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
因此，你可以简单理解为，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”的详细含义你不用计较，这只是系统的一种更快速的计算方式，你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，意味着什么呢？
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。
平均负载为多少时合理
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，首先你要知道系统有几个 CPU，这可以通过 top 命令或者从文件 /proc/cpuinfo 中读取，比如：
# 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 -l
有了 CPU 个数，我们就可以判断出，当平均负载比 CPU 个数还大的时候，系统已经出现了过载。
平均负载有三个数值，到底该参考哪一个呢？实际上，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。
这里我再举个例子，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？在我看来，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。
但 70% 这个数字并不是绝对的，最推荐的方法，还是把系统的平均负载监控起来，然后根据更多的历史数据，判断负载的变化趋势。当发现负载有明显升高趋势时，比如说负载翻倍了，你再去做分析和调查。
平均负载与 CPU 使用率
-
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。平均负载案例分析
平均负载案例分析
stress: Linux 系统压力测试工具
sysstat包含了常用的Linux性能工具，用来监控和分析系统的性能。其中包含如下命令mpstat和pidstat
-
mpstat是一个常用的多核CPU性能分析工具，用来实时查看每个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IO以及上下文切换
实操
2c8g
预先安装stress systat包
- 场景一：CPU 密集型进程
我们在第一个终端运行 stress 命令，模拟一个 CPU 使用率 100% 的场景：
$ stress --cpu 1 --timeout 600
在第二个终端运行 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
在第三个终端运行 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 5
Linux 4.15.0 (ubuntu) 09/22/18 _x86_64_ (2 CPU)
13:30:06 CPU %usr %nice %sys %iowait %irq %soft %steal %guest %gnice %idle
13:30:11 all 50.05 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 49.95
13:30:11 0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00
13:30:11 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 分钟的平均负载会慢慢增加到 1.00，而从终端三中还可以看到，正好有一个 CPU 的使用率为 100%，但它的 iowait 只有 0。这说明，平均负载的升高正是由于 CPU 使用率为 100% 。
那么，到底是哪个进程导致了 CPU 使用率为 100% 呢？你可以使用 pidstat 来查询
# 间隔5秒后输出一组数据，一共输出一组数据
$ pidstat -u 5 1
13:37:07 UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command
13:37:12 0 2962 100.00 0.00 0.00 0.00 100.00 1 stress
- 场景二：I/O 密集型进程
运行 stress 命令，但这次模拟 I/O 压力，即不停地执行 sync：
$ stress -i 1 --timeout 600
第二个终端运行 uptime 查看平均负载的变化情况
$ watch -d uptime
..., load average: 1.06, 0.58, 0.37
第三个终端运行 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 1
Linux 4.15.0 (ubuntu) 09/22/18 _x86_64_ (2 CPU)
13:41:28 CPU %usr %nice %sys %iowait %irq %soft %steal %guest %gnice %idle
13:41:33 all 0.21 0.00 12.07 32.67 0.00 0.21 0.00 0.00 0.00 54.84
13:41:33 0 0.43 0.00 23.87 67.53 0.00 0.43 0.00 0.00 0.00 7.74
13:41:33 1 0.00 0.00 0.81 0.20 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 98.9
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。
那么到底是哪个进程，导致 iowait 这么高呢？我们还是用 pidstat 来查询：
# 间隔5秒后输出一组数据，-u表示CPU指标
$ pidstat -u 5 1
Linux 4.15.0 (ubuntu) 09/22/18 _x86_64_ (2 CPU)
13:42:08 UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command
13:42:13 0 104 0.00 3.39 0.00 0.00 3.39 1 kworker/1:1H
13:42:13 0 109 0.00 0.40 0.00 0.00 0.40 0 kworker/0:1H
13:42:13 0 2997 2.00 35.53 0.00 3.99 37.52 1 stress
13:42:13 0 3057 0.00 0.40 0.00 0.00 0.40 0 pidstat
可以发现，还是 stress 进程导致的
-
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。比如，我们还是使用 stress，但这次模拟的是 8 个进程：
$ stress -c 8 --timeout 600由于系统只有 2 个 CPU，明显比 8 个进程要少得多，因而，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接着再运行 pidstat 来看一下进程的情况：
# 间隔5秒后输出一组数据 $ pidstat -u 5 1 14:23:25 UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command 14:23:30 0 3190 25.00 0.00 0.00 74.80 25.00 0 stress 14:23:30 0 3191 25.00 0.00 0.00 75.20 25.00 0 stress 14:23:30 0 3192 25.00 0.00 0.00 74.80 25.00 1 stress 14:23:30 0 3193 25.00 0.00 0.00 75.00 25.00 1 stress 14:23:30 0 3194 24.80 0.00 0.00 74.60 24.80 0 stress 14:23:30 0 3195 24.80 0.00 0.00 75.00 24.80 0 stress 14:23:30 0 3196 24.80 0.00 0.00 74.60 24.80 1 stress 14:23:30 0 3197 24.80 0.00 0.00 74.80 24.80 1 stress 14:23:30 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。
-
我的小发现
stress -i mpstat看 增加的是%sys
stress -cpu mpstat看 增加的是%usr
pidstat 一行看%usr %system %guest %wait相加就是%cpu
母机开了超线程（2个线程），子机在做时延的时候使用子机全部CPU，那么对应到母机是什么情况呢？
我stress -cpu 32压测32c的子机，发现在母机上用mpstat看, 32个核的%guest是占满的。为什么是32个母机的核，不是16个？因为呢现在是绑的cpuset，不是确定的母机一个核对应子机2个核，当有资源的时候，子机32个核可以使用到母机的32个核
总结
-
讲的CPU平均负载和CPU使用率的区别
平均负载还会考虑到IO等待，所以CPU负载高不一定CPU使用率高
-
学到的命令
- uptime 查看平均负载，并且可以看到系统的运行时间，以及目前有几个人登录到这台机器
- mpstat -P ALL 5 查看CPU的情况
- pidstat -u 5 1 查看是哪个进程消耗CPU
- watch -d 连续采集信息
- top的D R S是什么意思