Linux-CPU之平均負(fù)載-創(chuàng)新互聯(lián)

一般我們覺得系統(tǒng)變慢了，都會(huì)執(zhí)行 top 或者 uptime 命令，來了解系統(tǒng)的負(fù)載情況。

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uptime
 11:29:06 up 0 min,  2 users,  load average: 1.21, 0.29, 0.10
 // 當(dāng)前時(shí)間    // 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間  // 正在登錄用戶數(shù)   //1 分鐘、5 分鐘、15 分鐘的平均負(fù)載

概念：

平均負(fù)載是指單位時(shí)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。

1. 可運(yùn)行狀態(tài)的進(jìn)程，是指正在使用 CPU 或者正在等待 CPU 的進(jìn)程，也就是我們常用 ps 命令看到的，處于 R 狀態(tài)（Running 或 Runnable）的進(jìn)程。
2. 不可中斷狀態(tài)的進(jìn)程則是正處于內(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。比如最常見的是等待硬件設(shè)備的 I/O 響應(yīng)，也就是我們?cè)?ps 命令中看到的 D 狀態(tài)（Uninterruptible Sleep，也稱為 Disk Sleep）的進(jìn)程。

平均負(fù)載多少合適

本質(zhì)：平均負(fù)載其實(shí)就是平均活躍進(jìn)程數(shù)。

理想的，就是每個(gè) CPU 上都剛好運(yùn)行著一個(gè)進(jìn)程，這樣每個(gè) CPU 都得到了充分利用。

當(dāng)平均負(fù)載高于 CPU 數(shù)量 70% 的時(shí)候，你就應(yīng)該分析排查負(fù)載高的問題了。

平均負(fù)載為 2 時(shí)：
只有 2 個(gè) CPU 的系統(tǒng)上，意味著所有的 CPU 都剛好被完全占用。
4 個(gè) CPU 的系統(tǒng)上，意味著 CPU 有 50% 的空閑。
1 個(gè) CPU 的系統(tǒng)中，則意味著有一半的進(jìn)程競(jìng)爭(zhēng)不到 CPU。

如何獲取CPU的個(gè)數(shù)：文件 /proc/cpuinfo 中獲取個(gè)數(shù)。

grep 'model name' /proc/cpuinfo |wc -l
2

平均負(fù)載與 CPU 使用率區(qū)分

平均負(fù)載是指單位時(shí)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)，不僅包括了正在使用 CPU 的進(jìn)程，還包括等待 CPU 和等待 I/O 的進(jìn)程。

CPU 使用率，是單位時(shí)間內(nèi) CPU 繁忙情況的統(tǒng)計(jì)，跟平均負(fù)載并不一定完全對(duì)應(yīng)。

CPU 密集型進(jìn)程，使用大量 CPU 會(huì)導(dǎo)致平均負(fù)載升高，此時(shí)這兩者是一致的；
I/O 密集型進(jìn)程，等待 I/O 也會(huì)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(huì)導(dǎo)致平均負(fù)載升高，此時(shí)的 CPU 使用率也會(huì)比較高。

CPU 使用率

Linux 作為一個(gè)多任務(wù)操作系統(tǒng)，將每個(gè) CPU 的時(shí)間劃分為很短的時(shí)間片，再通過調(diào)度器輪流分配給各個(gè)任務(wù)使用。

維護(hù) CPU 時(shí)間，Linux 通過事先定義的節(jié)拍率（內(nèi)核中表示為 HZ），觸發(fā)時(shí)間中斷，并使用全局變量 Jiffies 記錄了開機(jī)以來的節(jié)拍數(shù)。每發(fā)生一次時(shí)間中斷，Jiffies 的值就加 1。

因?yàn)楣?jié)拍率 HZ 是內(nèi)核選項(xiàng)，為了方便用戶空間程序，內(nèi)核還提供了一個(gè)用戶空間節(jié)拍率 USER_HZ，它總是固定為 100，也就是 1/100 秒。

Linux 通過 /proc 虛擬文件系統(tǒng)，向用戶空間提供了系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的信息，而 /proc/stat 提供的就是系統(tǒng)的 CPU 和任務(wù)統(tǒng)計(jì)信息。

cat /proc/stat
//user 用戶態(tài)時(shí)間nice 用戶態(tài)時(shí)間(低優(yōu)先級(jí)，nice>0)
//system 內(nèi)核態(tài)時(shí)間  idle 空閑時(shí)間
//iowait I/O等待時(shí)間
//irq 硬中斷  softirq 軟中斷

//CPU指標(biāo)：user，nice, system, idle, iowait, irq, softirq
cpu  130216 19944 162525 1491240 3784 24749 17773 0 0 0
cpu0 40321 11452 49784 403099 2615 6076 6748 0 0 0
cpu1 26585 2425 36639 151166 404 2533 3541 0 0 0
cpu2 22555 2957 31482 152460 330 2236 2473 0 0 0
cpu3 15232 1243 20945 153740 303 1985 3432 0 0 0
cpu4 5903 595 6017 157410 30 10959 605 0 0 0
cpu5 4716 380 3794 157909 23 118 181 0 0 0
cpu6 8001 515 8995 157571 48 571 180 0 0 0
cpu7 6903 377 4869 157885 31 271 613 0 0 0

intr ...   //系統(tǒng)啟動(dòng)以來的所有interrupts的次數(shù)情況
ctxt 22523049  //系統(tǒng)上下文切換次數(shù)
btime 1500827856  //啟動(dòng)時(shí)長(zhǎng)(單位:秒)，從Epoch(即1970零時(shí))開始到系統(tǒng)啟動(dòng)所經(jīng)過的時(shí)長(zhǎng)，每次啟動(dòng)會(huì)改變。
processes 23231  //系統(tǒng)啟動(dòng)后所創(chuàng)建過的進(jìn)程數(shù)量。當(dāng)短時(shí)間該值特別大，系統(tǒng)可能出現(xiàn)異常
procs_running 1  // 處于Runnable狀態(tài)的進(jìn)程個(gè)數(shù)
procs_blocked 0  // 處于等待I/O完成的進(jìn)程個(gè)數(shù)
softirq 3552900 843593 733695 19691 93143 468832 12783 257382 610426 0 513355

時(shí)間單位，sysconf(_SC_CLK_TCK)一般地定義為jiffies(一般地等于10ms)

iowait時(shí)間是不可靠值，理由如下：
CPU不會(huì)等待I/O執(zhí)行完成，而iowait是等待I/O完成的時(shí)間。 當(dāng)CPU進(jìn)入idle狀態(tài)，很可能會(huì)調(diào)度另一個(gè)task執(zhí)行，所以iowait計(jì)算時(shí)間偏??；

計(jì)算方法

根據(jù)這個(gè)公式，我們就可以從 /proc/stat 中的數(shù)據(jù)，很容易地計(jì)算出 CPU 使用率。當(dāng)然，也可以用每一個(gè)場(chǎng)景的 CPU 時(shí)間，除以總的 CPU 時(shí)間，計(jì)算出每個(gè)場(chǎng)景的 CPU 使用率。

這是開機(jī)以來的節(jié)拍數(shù)累加值，所以直接算出來的，是開機(jī)以來的平均 CPU 使用率，一般沒啥參考價(jià)值。

為了計(jì)算 CPU 使用率，性能工具一般都會(huì)取間隔一段時(shí)間（比如 3 秒）的兩次值，作差后，再計(jì)算出這段時(shí)間內(nèi)的平均 CPU 使用率，即

top 默認(rèn)使用 3 秒時(shí)間間隔，而 ps 使用的卻是進(jìn)程的整個(gè)生命周期。

CPU 使用率過高排查

1.通過 top、ps、pidstat 等工具，你能夠輕松找到 CPU 使用率較高（比如 100% ）的進(jìn)程。
2.尋找占用 CPU 的到底是代碼里的哪個(gè)函數(shù)呢。

perf：perf 是 Linux 2.6.31 以后內(nèi)置的性能分析工具。它以性能事件采樣為基礎(chǔ)，不僅可以分析系統(tǒng)的各種事件和內(nèi)核性能，還可以用來分析指定應(yīng)用程序的性能問題。

$ perf top
Samples: 833  of event 'cpu-clock', Event count (approx.): 97742399
Overhead  Shared Object       Symbol
   7.28%  perf                [.] 0x00000000001f78a4
   4.72%  [kernel]            [k] vsnprintf
   4.32%  [kernel]            [k] module_get_kallsym
   3.65%  [kernel]            [k] _raw_spin_unlock_irqrestore
...

#離線采集分析   -g 參數(shù)，開啟調(diào)用關(guān)系的采樣
perf record -g # 按 Ctrl+C 終止采樣
perf report # 展示類似于 perf top 的報(bào)告

第一行包含三個(gè)數(shù)據(jù)，分別是采樣數(shù)（Samples）、事件類型（event）和事件總數(shù)量（Event count）。比如這個(gè)例子中，perf 總共采集了 833 個(gè) CPU 時(shí)鐘事件，而總事件數(shù)則為 97742399。

第一列 Overhead ，是該符號(hào)的性能事件在所有采樣中的比例，用百分比來表示。
第二列 Shared ，是該函數(shù)或指令所在的動(dòng)態(tài)共享對(duì)象（Dynamic Shared Object），如內(nèi)核、進(jìn)程名、動(dòng)態(tài)鏈接庫名、內(nèi)核模塊名等。
第三列 Object ，是動(dòng)態(tài)共享對(duì)象的類型。比如 [.] 表示用戶空間的可執(zhí)行程序、或者動(dòng)態(tài)鏈接庫，而 [k] 則表示內(nèi)核空間。
最后一列 Symbol 是符號(hào)名，也就是函數(shù)名。當(dāng)函數(shù)名未知時(shí)，用十六進(jìn)制的地址來表示。

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本文題目：Linux-CPU之平均負(fù)載-創(chuàng)新互聯(lián)
鏈接地址：http://muchs.cn/article2/psioc.html

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