什么是平均负载

[root@111 ~]# uptime

 11:03:33 up 149 days, 17:34,  1 user,  load average: 0.08, 0.05, 0.01

最后三个数字，依次则是过去1分钟、5分钟、15分钟的平均负载（Load Average），常用的top工具也能展示

平均负载作为极其重要的系统指标，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。

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。

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）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。

综上所述，平均负载其实就是平均活跃进程数，即单位时间内的活跃进程数。

平均负载为多少时合理

最理想的状态，是每个CPU上都刚好跑着一个进程，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。

所以，平均负载最理想的情况是等于 CPU个数。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，比如：

逻辑cpu个数：

[root@111 ~]# grep processor /proc/cpuinfo |wc -l

4

一般来说，实际生产环境中，当平均负载为 CPU 数量的70-80%的时候，就应该分析排查负载高的问题了。

另一方面，我们需要关注平均负载三个数值的变化：

  • 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。

举个栗子，4核的机子，平均负载为 3.23，1.60，6.98：

  • 在过去的15分钟，平均负载超过cpu个数，说明负载很高，可能是cpu使用率很高，也可能是I/O的压力等等原因。
  • 过去1分钟和过去5分钟，平均负载都小于cpu个数，说明负载正常，从整体趋势来看，系统的负载在降低，但是过去1分钟的值大于过去5分钟的值，说明平均负载又在升高。

70-80%这个数字并不是绝对的，毕竟最长的15分钟的数据也只是短期的表现，最推荐的方法，是把系统的平均负载监控起来，然后根据更多的历史数据，判断负载的整体变化趋势。

平均负载与CPU使用率

现实工作中，我们经常容易把平均负载和 CPU 使用率混淆，其实两者还是有区别的。

可能你会疑惑，既然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？

我们还是要回到平均负载的含义上来，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。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。

平均负载案例模拟分析

模拟三个场景分别来看以上三种情况，使用iostat、mpstat、pidstat 等工具，找出平均负载升高的根源。

  • 机器配置：4cpu，16G内存，centos
  • 安装 stress 和 sysstat 工具包，yum install stress sysstat -y

stress 是一个 Linux 系统压力测试工具

stress语法格式：

stress <options>

常用选项：

-c, --cpu N              产生 N 个进程，每个进程都反复不停的计算随机数的平方根

-i, --io N               产生 N 个进程，每个进程反复调用 sync() 将内存上的内容写到硬盘上

-m, --vm N               产生 N 个进程，每个进程不断分配和释放内存

    --vm-bytes B         指定分配内存的大小

    --vm-stride B        不断的给部分内存赋值，让 COW(Copy On Write)发生

    --vm-hang N          指示每个消耗内存的进程在分配到内存后转入睡眠状态 N 秒，然后释放内存，一直重复执行这个过程

    --vm-keep            一直占用内存，区别于不断的释放和重新分配(默认是不断释放并重新分配内存)

-d, --hadd N             产生 N 个不断执行 write 和 unlink 函数的进程(创建文件，写入内容，删除文件)

    --hadd-bytes B       指定文件大小

-t, --timeout N          在 N 秒后结束程序

--backoff N              等待N微妙后开始运行

-q, --quiet              程序在运行的过程中不输出信息

-n, --dry-run            输出程序会做什么而并不实际执行相关的操作

--version                显示版本号

-v, --verbose            显示详细的信息

sysstat 包含了常用的 Linux 性能工具，用来监控和分析系统的性能，主要包括：

iostat 工具提供CPU使用率及硬盘吞吐效率的数据；  #比较核心的工具

mpstat 工具提供单个处理器或多个处理器相关数据；

pidstat: 关于运行中的进程/任务、CPU、内存等的统计信息

sar 工具负责收集、报告并存储系统活跃的信息；    #统计数据的核心工具

sa1 工具负责收集并存储每天系统动态信息到一个二进制的文件中。它是通过计划任务工具cron来运行，是为sadc所设计的程序前端程序；

sa2工具负责把每天的系统活跃性息写入总结性的报告中。它是为sar所设计的前端 ，要通过cron来调用

sadc 是系统动态数据收集工具，收集的数据被写一个二进制的文件中，它被用作sar工具的后端；

sadf 显示被sar通过多种格式收集的数据；

nfsiostat: NFS（Network File System）的I/O统计信息。

cifsiostat: CIFS(Common Internet File System)的统计信息。

每个场景都需要开三个终端，登录到同一台 Linux 机器中，使用uptime看一下测试前的平均负载：

[root@123~]# uptime

 16:11:04 up 150 days, 22:42,  3 users,  load average: 0.06, 0.03, 0.00

场景一：CPU 密集型进程

首先，在第一个终端运行 stress 命令，模拟一个 CPU 使用率 100% 的场景：

#产生1个进程反复不停的计算随机数的平方根，300秒后停止

[root@123 ~]# stress -c 1 -t 300

接着，在第二个终端运行watch -d 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
Every 2.0s: uptime 

16:26:55 up 150 days, 22:58,  3 users,  load average: 1.05, 0.76, 0.40

可以看到，1 分钟的平均负载会慢慢增加到 1.00出头

最后，在第三个终端运行mpstat查看 CPU 使用率的变化情况：

mpstat --help

用法: mpstat [ 选项 ] [ <时间间隔> [ <次数> ] ]

选项：

[ -I { SUM | CPU | SCPU | ALL } ] [ -N { <node_list> | ALL } ]

[ --dec={ 0 | 1 | 2 } ] [ -o JSON ] [ -P { <CPU_列表> | ALL } ]

#-P ALL 表示监控所有CPU，间隔5秒后输出一组数据，总计5组

[root@123~]# mpstat -P ALL 5 5

04:25:28 PM  CPU    %usr   %nice    %sys %iowait    %irq   %soft  %steal  %guest   %idle

04:25:33 PM  all   25.11    0.00    0.20    0.35    0.00    0.00    0.00    0.00   74.34

04:25:33 PM    0    0.40    0.00    0.20    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00   99.40

04:25:33 PM    1  100.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00

04:25:33 PM    2    0.00    0.00    0.60    1.60    0.00    0.00    0.00    0.00   97.80

04:25:33 PM    3    0.00    0.00    0.20    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00   99.80

04:25:33 PM  CPU    %usr   %nice    %sys %iowait    %irq   %soft  %steal  %guest   %idle

04:25:38 PM  all   25.13    0.00    0.15    0.40    0.00    0.00    0.00    0.00   74.32

04:25:38 PM    0    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00  100.00

04:25:38 PM    1  100.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00

04:25:38 PM    2    0.20    0.00    0.40    1.41    0.00    0.00    0.00    0.00   97.99

04:25:38 PM    3    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00  100.00

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？可以使用 pidstat 来查询：

pidstat --help

用法：pidstat [ 选项 ] [ <时间间隔> [ <计数> ] ] [ -e <程序> <参数> ]

选项：

[ -d ] [ -H ] [ -h ] [ -I ] [ -l ] [ -R ] [ -r ] [ -s ] [ -t ] [ -U [ <用户名> ] ]

[ -u ] [ -V ] [ -v ] [ -w ] [ -C <命令> ] [ -G <进程名> ]

[ -p { <pid> [,...] | SELF | ALL } ] [ -T { TASK | CHILD | ALL } ]

[ --dec={ 0 | 1 | 2 } ] [ --human ]

常用选项解释：

-u：默认的参数，显示各个进程的cpu使用统计

-r：显示各个进程的内存使用统计

-d：显示各个进程的IO使用情况

-p：指定进程号

-w：显示每个进程的上下文切换情况

#间隔5秒输出一组数据，总计5组

[root@123 ~]# pidstat -u 5 5

04:26:17 PM       PID    %usr %system  %guest    %CPU   CPU  Command

04:26:22 PM      2464    0.20    0.00    0.00    0.20     3  netdata

04:26:22 PM      2677    0.20    0.00    0.00    0.20     0  python

04:26:22 PM     26629    0.00    0.40    0.00    0.40     2  apps.plugin

04:26:22 PM     28735  100.00    0.00    0.00  100.00     3  stress

04:26:22 PM       PID    %usr %system  %guest    %CPU   CPU  Command

04:26:27 PM      2464    0.20    0.00    0.00    0.20     3  netdata

04:26:27 PM     26629    0.20    0.20    0.00    0.40     2  apps.plugin

04:26:27 PM     28735  100.00    0.00    0.00  100.00     3  stress

从这里可以明显看到，stress进程的CPU使用率为100%。

场景二：I/O 密集型进程

首先还是运行 stress 命令，但这次模拟 I/O 压力，即不停地执行 sync：

# 产生1个进程，反复调用 sync() 将内存上的内容写到硬盘上，300秒后结束

[root@123~]# stress -i 1 -t 300

还是在第二个终端运行watch -d uptime查看平均负载的变化情况：

17:14:02 up 150 days, 23:45,  4 users,  load average: 1.52, 1.68, 0.80

可以看到，平均负载再次上升

然后，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，间隔5秒输出一组数据，持续输出

[root@123 ~]# mpstat -P ALL 5

05:08:10 PM  CPU    %usr   %nice    %sys %iowait    %irq   %soft  %steal  %guest   %idle

05:08:15 PM  all    0.15    0.00    0.15    0.20    0.00    0.00    0.00    0.00   99.50

05:08:15 PM    0    0.20    0.00    0.20    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00   99.60

05:08:15 PM    1    0.20    0.00    0.40    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00   99.40

05:08:15 PM    2    0.20    0.00    0.00    1.00    0.00    0.00    0.00    0.00   98.80

05:08:15 PM    3    0.20    0.00    0.20    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00   99.60

05:08:15 PM  CPU    %usr   %nice    %sys %iowait    %irq   %soft  %steal  %guest   %idle

05:08:20 PM  all    0.15    0.00    0.20   10.67    0.00    0.00    0.00    0.00   88.98

05:08:20 PM    0    0.20    0.00    0.00   14.63    0.00    0.00    0.00    0.00   85.17

05:08:20 PM    1    0.00    0.00    0.40    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00   99.60

05:08:20 PM    2    0.00    0.00    0.20   28.11    0.00    0.00    0.00    0.00   71.69

05:08:20 PM    3    0.20    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00   99.80

05:08:20 PM  CPU    %usr   %nice    %sys %iowait    %irq   %soft  %steal  %guest   %idle

05:08:25 PM  all    0.15    0.00    0.20   22.19    0.00    0.00    0.00    0.00   77.45

05:08:25 PM    0    0.20    0.00    0.20   29.46    0.00    0.00    0.00    0.00   70.14

05:08:25 PM    1    0.20    0.00    0.40    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00   99.40

05:08:25 PM    2    0.20    0.00    0.20   59.44    0.00    0.00    0.00    0.00   40.16

05:08:25 PM    3    0.20    0.00    0.20    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00   99.60

可以发现，系统CPU使用率很低，而 iowait很高，其中一个高达 59.44%，这说明平均负载的升高是由于 iowait 的升高。

是哪个进程导致iowait这么高？

#pidstat -d：显示各个进程的IO使用情况
[root@123 ~]# pidstat -d 3 3

05:12:56 PM       PID   kB_rd/s   kB_wr/s kB_ccwr/s  Command

05:12:59 PM       701      0.00     68.00      0.00  jbd2/dm-0-8

05:12:59 PM      1518      0.00    292.00      0.00  flush-253:0

05:12:59 PM      1968      0.00     28.00      0.00  java

05:12:59 PM       PID   kB_rd/s   kB_wr/s kB_ccwr/s  Command

05:13:02 PM       701      0.00     80.00      0.00  jbd2/dm-0-8

05:13:02 PM      1518      0.00    268.00      0.00  flush-253:0

05:13:02 PM      1968      0.00     30.67      0.00  java

05:13:02 PM       PID   kB_rd/s   kB_wr/s kB_ccwr/s  Command

05:13:05 PM       701      0.00     80.00      0.00  jbd2/dm-0-8

05:13:05 PM      1518      0.00    286.67      0.00  flush-253:0

05:13:05 PM      1968      0.00     36.00      0.00  java

jbd2/dm-0-8和flush-253:0都是操作系统针对磁盘和文件系统的进程，本质上是stress 进程导致的，因为300秒后当stress结束了，这两个进程也结束了。

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：

[root@123 ~]# stress -c 8 -t 300

由于系统只有 4 个CPU，比 8 个进程要少一半，因而，系统的 CPU 处于严重过载状态，平均负载高达7.90：

11:35:53 up 155 days, 18:07,  4 users,  load average: 7.90, 5.51, 3.00

使用mpstat查看cpu使用率

[root@123~]# mpstat -P ALL 3 10

11:30:17 AM  CPU    %usr   %nice    %sys %iowait    %irq   %soft  %steal  %guest   %idle

11:30:20 AM  all   99.83    0.00    0.17    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00

11:30:20 AM    0  100.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00

11:30:20 AM    1  100.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00

11:30:20 AM    2  100.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00

11:30:20 AM    3   99.67    0.00    0.33    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00

11:30:20 AM  CPU    %usr   %nice    %sys %iowait    %irq   %soft  %steal  %guest   %idle

11:30:23 AM  all   99.92    0.00    0.08    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00

11:30:23 AM    0  100.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00

11:30:23 AM    1   99.67    0.00    0.33    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00

11:30:23 AM    2   99.67    0.00    0.33    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00

11:30:23 AM    3  100.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00

可见4个cpu都被打满，再用pidstat看一下进程使用cpu的情况：

[root@123 ~]# pidstat 3 10

11:30:20 AM       PID    %usr %system  %guest    %CPU   CPU  Command

11:30:23 AM      2385    0.33    0.00    0.00    0.33     2  java

11:30:23 AM      2464    0.33    0.33    0.00    0.66     0  netdata

11:30:23 AM     26384   49.67    0.00    0.00   49.67     1  stress

11:30:23 AM     26385   49.67    0.00    0.00   49.67     0  stress

11:30:23 AM     26386   49.01    0.00    0.00   49.01     3  stress

11:30:23 AM     26387   49.67    0.00    0.00   49.67     2  stress

11:30:23 AM     26388   50.66    0.00    0.00   50.66     3  stress

11:30:23 AM     26389   49.67    0.00    0.00   49.67     0  stress

11:30:23 AM     26390   49.67    0.00    0.00   49.67     1  stress

11:30:23 AM     26391   49.67    0.00    0.00   49.67     2  stress

11:30:23 AM       PID    %usr %system  %guest    %CPU   CPU  Command

11:30:26 AM     26223    0.33    0.00    0.00    0.33     3  watch

11:30:26 AM     26384   49.67    0.00    0.00   49.67     1  stress

11:30:26 AM     26385   50.00    0.00    0.00   50.00     0  stress

11:30:26 AM     26386   50.00    0.00    0.00   50.00     3  stress

11:30:26 AM     26387   50.00    0.00    0.00   50.00     2  stress

11:30:26 AM     26388   49.67    0.00    0.00   49.67     3  stress

11:30:26 AM     26389   50.00    0.00    0.00   50.00     0  stress

11:30:26 AM     26390   50.00    0.00    0.00   50.00     1  stress

11:30:26 AM     26391   50.00    0.00    0.00   50.00     2  stress

11:30:26 AM     26524    0.00    0.33    0.00    0.33     2  pidstat

可以看出，8 个stress进程在争抢 4 个 CPU，每个进程都占据着0.5个cpu，同时等待 CPU 的时间也是 50%。这些超出 CPU 计算能力的进程，最终导致 CPU 过载。

小结

分析完这三个案例，归纳一下平均负载的理解。

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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