Load和CPU利用率是如何算出来的

相信很多人都对Linux中top命令里“load average”这一栏困惑过，到底什么是Load，Load代表了什么含义，Load高会有什么后果？“%CPU”这一栏为什么会超过100%，它是如何计算的？
带着这些问题，我们通过一些测试，来探索下其中的不解之处。

首先，我们通过实验来大概确定其计算方式：
测试服务器：4核Xeon处理器
测试软件：MySQL 5.1.40
服务器上除了mysql没有运行其他任何非系统自带软件。因为MySQL只能单线程运行单条SQL，所以可以很好的通过增加查询并发来控制使用的CPU核数。

空载时，top的信息为：

top – :: up  days, :,  user, load average: 0.00, 0.00, 0.00
Tasks:  total,  running,  sleeping,  stopped,  zombie
Cpu(s): 0.0%us, 0.0%sy, 0.0%ni, 99.5%id, 0.1%wa, 0.2%hi, 0.2%si, 0.0%st  

在数据库中启动一个大查询：

top – :: up  days, :,  users, load average: 0.99, 0.92, 0.67
Tasks:  total,  running,  sleeping,  stopped,  zombie
Cpu0 : 0.0%us, 0.0%sy, 0.0%ni, 96.3%id, 0.0%wa, 1.3%hi, 2.3%si, 0.0%st
Cpu1 : 0.0%us, 0.0%sy, 0.0%ni,100.0%id, 0.0%wa, 0.0%hi, 0.0%si, 0.0%st
Cpu2 : 98.7%us, 1.3%sy, 0.0%ni, 0.0%id, 0.0%wa, 0.0%hi, 0.0%si, 0.0%st
Cpu3 : 0.0%us, 0.0%sy, 0.0%ni,100.0%id, 0.0%wa, 0.0%hi, 0.0%si, 0.0%st

同时可以看到%CPU也是在100%

PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND
 mysql   308m 137m  S 99.9 6.8 :13.28 mysqld

然后开启第二个大查询，不久就可以看到top信息的变化，Load到了2：

top – :: up  days, :,  users, load average: 1.99, 1.62, 1.08
Tasks:  total,  running,  sleeping,  stopped,  zombie
Cpu0 : 0.0%us, 0.0%sy, 0.0%ni, 97.7%id, 0.0%wa, 1.0%hi, 1.3%si, 0.0%st
Cpu1 : 99.0%us, 1.0%sy, 0.0%ni, 0.0%id, 0.0%wa, 0.0%hi, 0.0%si, 0.0%st
Cpu2 : 0.0%us, 0.0%sy, 0.0%ni,100.0%id, 0.0%wa, 0.0%hi, 0.0%si, 0.0%st
Cpu3 : 99.0%us, 1.0%sy, 0.0%ni, 0.0%id, 0.0%wa, 0.0%hi, 0.0%si, 0.0%st

也可以观察到%CPU增加到了200%：

PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND
 mysql   312m 141m  S 199.8 7.0 :31.27 mysqld

由此可以简单的做出如下临时结论：
1. %CPU是由每个核的CPU占用律之和算出来的。
2. load跟执行的任务数有关
不过要想准确的知道其含义，还是必须从源码入手。

CPU利用率的计算方法

下载busybox的源码，在procps目录下有top.c的源码，查看第293行附近（1.17.1版），可以看到

if (prev_hist_count) do {
        if (prev_hist[i].pid == pid) {
                cur->pcpu = cur->ticks - prev_hist[i].ticks;
                total_pcpu += cur->pcpu;
                break;
        }
        i = (i+) % prev_hist_count;
        /* hist_iterations++; */
} while (i != last_i);

这就是计算%CPU的代码，很明显total_pcpu就是累加了每个线程对每个核的使用率，所以%CPU的最大值就是核数*100%。

而CPU利用率又是怎么计算的呢，跟踪代码可以发现，是从系统的/proc/stat这里读取的，这个文件的格式可以参考：http://www.linuxhowtos.org/System/procstat.htm，下面是我笔记本上读出来的内容。

plx@plinux-Laptop:~/busybox-1.17.$ cat /proc/stat
cpu
cpu0
cpu1
intr
ctxt
btime
processes
procs_running
procs_blocked
softirq           

cpuN的含义从左到右分别是：user、system、nice、idle、iowait、irq、softirq，具体含义可以看文档。
在下面几行的含义是：
“intr”这行给出中断的信息，第一个为自系统启动以来，发生的所有的中断的次数；然后每个数对应一个特定的中断自系统启动以来所发生的次数。
“ctxt”给出了自系统启动以来CPU发生的上下文交换的次数。
“btime”给出了从系统启动到现在为止的时间，单位为秒。
“processes (total_forks) 自系统启动以来所创建的任务的个数目。
“procs_running”：当前运行队列的任务的数目。
“procs_blocked”：当前被阻塞的任务的数目。
那么CPU利用率可以使用以下方法，先取两个采样点，然后计算其差值：

cpu usage=(idle2-idle1)/(cpu2-cpu1)* cpu usage=[(user_2 +sys_2+nice_2) - (user_1 + sys_1+nice_1)]/(total_2 - total_1)*;

这是一段Bash代码采集利用率的，摘自网络：

#!/bin/sh
##echo user nice system idle iowait irq softirq
CPULOG_1=$(cat /proc/stat | grep 'cpu ' | awk '{print $2" "$3" "$4" "$5" "$6" "$7" "$8}')
SYS_IDLE_1=$(echo $CPULOG_1 | awk '{print $4}')
Total_1=$(echo $CPULOG_1 | awk '{print $1+$2+$3+$4+$5+$6+$7}')

sleep 

CPULOG_2=$(cat /proc/stat | grep 'cpu ' | awk '{print $2" "$3" "$4" "$5" "$6" "$7" "$8}')
SYS_IDLE_2=$(echo $CPULOG_2 | awk '{print $4}')
Total_2=$(echo $CPULOG_2 | awk '{print $1+$2+$3+$4+$5+$6+$7}') 

SYS_IDLE=`expr $SYS_IDLE_2 - $SYS_IDLE_1`

Total=`expr $Total_2 - $Total_1`
SYS_USAGE=`expr $SYS_IDLE/$Total* |bc -l`

SYS_Rate=`expr -$SYS_USAGE |bc -l`

Disp_SYS_Rate=`expr "scale=3; $SYS_Rate/1" |bc`
echo $Disp_SYS_Rate%

还有一段Perl的代码，也是摘自网络：

#!/usr/bin/perl
use warnings;

$SLEEPTIME=;

if (-e "/tmp/stat") {
    unlink "/tmp/stat";
}
open (JIFF_TMP, ">>/tmp/stat") || die "Can't open /proc/stat file!\n";
open (JIFF, "/proc/stat") || die "Can't open /proc/stat file!\n";
@jiff_0=;
print JIFF_TMP $jiff_0[] ;
close (JIFF);

sleep $SLEEPTIME;

open (JIFF, "/proc/stat") || die "Can't open /proc/stat file!\n";  @jiff_1=;
print JIFF_TMP $jiff_1[];
close (JIFF);
close (JIFF_TMP);

@USER=`awk '{print \$2}' "/tmp/stat"`;
@NICE=`awk '{print \$3}' "/tmp/stat"`;
@SYSTEM=`awk '{print \$4}' "/tmp/stat"`;
@IDLE=`awk '{print \$5}' "/tmp/stat"`;
@IOWAIT=`awk '{print \$6}' "/tmp/stat"`;
@IRQ=`awk '{print \$7}' "/tmp/stat"`;
@SOFTIRQ=`awk '{print \$8}' "/tmp/stat"`;

$JIFF_0=$USER[]+$NICE[]+$SYSTEM[]+$IDLE[]+$IOWAIT[]+$IRQ[]+$SOFTIRQ[];
$JIFF_1=$USER[]+$NICE[]+$SYSTEM[]+$IDLE[]+$IOWAIT[]+$IRQ[]+$SOFTIRQ[];
$SYS_IDLE=($IDLE[]-$IDLE[]) / ($JIFF_0-$JIFF_1) * ;  $SYS_USAGE= - $SYS_IDLE;

printf ("The CPU usage is %1.2f%%\n",$SYS_USAGE);

Load的计算方法

跟踪busybox的代码可以知道，load是从/proc/loadavg中读取的。
我本机的一次抓取内容如下：

plx@plinux-Laptop:~/busybox-1.17.$ cat /proc/loadavg
0.64 0.81 0.86 / 

每个值的含义依次为：
lavg_1 (0.64) 1-分钟平均负载
lavg_5 (0.81) 5-分钟平均负载
lavg_15(0.86) 15-分钟平均负载
nr_running (3) 在采样时刻，运行队列的任务的数目，与/proc/stat的procs_running表示相同意思
nr_threads (364) 在采样时刻，系统中活跃的任务的个数（不包括运行已经结束的任务）
last_pid(6930) 最大的pid值，包括轻量级进程，即线程。
假设当前有两个CPU，则每个CPU的当前任务数为0.64/2=0.32

我们可以在linux内核中找到loadavg文件的源码：

tatic int loadavg_read_proc(char *page, char **start, off_t off,
                                 int count, int *eof, void *data)
{
        int a, b, c;
        int len;
#

        a = avenrun[] + (FIXED_1/);
        b = avenrun[] + (FIXED_1/);
        c = avenrun[] + (FIXED_1/);
        len = sprintf(page,"%d.%02d %d.%02d %d.%02d %ld/%d %d\n",
                LOAD_INT(a), LOAD_FRAC(a),
                LOAD_INT(b), LOAD_FRAC(b),
                LOAD_INT(c), LOAD_FRAC(c),
                nr_running(), nr_threads, last_pid);
        return proc_calc_metrics(page, start, off, count, eof, len);
}

以及计算load的代码：

#define FSHIFT      11          /* nr of bits of precision */
#define FIXED_1     (1<<FSHIFT) /* 1.0 as fixed-point(定点) */
#define LOAD_FREQ   (5*HZ)      /* 5 sec intervals，每隔5秒计算一次平均负载值 */
#define CALC_LOAD(load, exp, n)     \
         load *= exp;               \
         load += n*(FIXED_1 - exp); \
         load >>= FSHIFT;

unsigned long avenrun[];

EXPORT_SYMBOL(avenrun);

/*
* calc_load - given tick count, update the avenrun load estimates.
* This is called while holding a write_lock on xtime_lock.
*/
static inline void calc_load(unsigned long ticks)
{
        unsigned long active_tasks; /* fixed-point */
        static int count = LOAD_FREQ;
        count -= ticks;
        if (count < ) {
                count += LOAD_FREQ;
                active_tasks = count_active_tasks();
                CALC_LOAD(avenrun[], EXP_1, active_tasks);
                CALC_LOAD(avenrun[], EXP_5, active_tasks);
                CALC_LOAD(avenrun[], EXP_15, active_tasks);
        }
}

看了大师的文章，理解了这些代码。

所以可以明白：Linux的系统负载指运行队列的平均长度，也就是等待CPU的平均进程数。 Linux的系统负载指运行队列的平均长度，也就是等待CPU的平均进程数。因为Linux内禁止浮点运算，因此系统的负载只能通过计算变化的次数这一修正值来计算。Linux内核定义一个长度为3的双字数组avenrun，双字的低11位用于存放负载的小数部分，高21位用于存放整数部分。当进程所耗的 CPU时间片数超过CPU在5秒内能够提供的时间片数时，内核计算上述的三个负载。负载初始化为0，假设最近1、5、15分钟内的平均负载分别为 load1、load5和load15，那么下一个计算时刻到来时，内核通过下面的算式计算负载：

load1 -= load1 -* exp(- / ) -+ n * ( – exp(- /  ))
load5 -= load5 -* exp(- / ) + n * ( – exp(- / ))
load15 = load15 * exp(- / ) + n * ( – exp(- / ))

其中，exp(x)为e的x次幂，n为当前运行队列的长度。Linux内核认为进程的生存时间服从参数为1的指数分布，指数分布的概率密度为：以内核计算负载load1为例，设相邻两个计算时刻之间系统活动的进程集合为S0。从1分钟前到当前计算时刻这段时间里面活动的load1个进程，设他们的集合是 S1，内核认为的概率密度是:λe-λx，而在当前时刻活动的n个进程，设他们的集合是Sn内核认为的概率密度是1-λe-λx。其中x = 5 / 60，因为相邻两个计算时刻之间进程所耗的CPU时间为5秒，而考虑的时间段是1分钟(60秒)。那么可以求出最近1分钟系统运行队列的长度：

load1 = |S1| -* λe-λx + |Sn| * (-λe-λx) = load1 * λe-λx + n * (-λe-λx)

其中λ = 1， x = 5 / 60， |S1|和|Sn|是集合元素的个数，这就是Linux内核源文件shed.c的函数calc_load()计算负载的数学依据。

所以“Load值=CPU核数”，这是最理想的状态，没有任何竞争，一个任务分配一个核。
由于数据是每隔5秒钟检查一次活跃的进程数，然后根据这个数值算出来的。如果这个数除以CPU的核数，结果高于5的时候就表明系统在超负荷运转了。