Linux-CPU之平均负载

一般我们觉得系统变慢了，都会执行 top 或者 uptime 命令，来了解系统的负载情况。

 uptime
 11:29:06 up 0 min,  2 users,  load average: 1.21, 0.29, 0.10
 // 当前时间    // 系统运行时间  // 正在登录用户数   //1 分钟、5 分钟、15 分钟的平均负载
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概念：

平均负载是指单位时间内，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。

1. 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。
2. 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。

平均负载多少合适

本质：平均负载其实就是平均活跃进程数。

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。

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。

平均负载为 2 时：
只有 2 个 CPU 的系统上，意味着所有的 CPU 都刚好被完全占用。
4 个 CPU 的系统上，意味着 CPU 有 50% 的空闲。
1 个 CPU 的系统中，则意味着有一半的进程竞争不到 CPU。

如何获取CPU的个数：文件 /proc/cpuinfo 中获取个数。

grep 'model name' /proc/cpuinfo |wc -l
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平均负载与 CPU 使用率区分

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，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。

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。

CPU 使用率

Linux 作为一个多任务操作系统，将每个 CPU 的时间划分为很短的时间片，再通过调度器轮流分配给各个任务使用。

维护 CPU 时间，Linux 通过事先定义的节拍率（内核中表示为 HZ），触发时间中断，并使用全局变量 Jiffies 记录了开机以来的节拍数。每发生一次时间中断，Jiffies 的值就加 1。

因为节拍率 HZ 是内核选项，为了方便用户空间程序，内核还提供了一个用户空间节拍率 USER_HZ，它总是固定为 100，也就是 1/100 秒。

Linux 通过 /proc 虚拟文件系统，向用户空间提供了系统内部状态的信息，而 /proc/stat 提供的就是系统的 CPU 和任务统计信息。

cat /proc/stat
//user 用户态时间nice 用户态时间(低优先级，nice>0)
//system 内核态时间  idle 空闲时间
//iowait I/O等待时间
//irq 硬中断  softirq 软中断

//CPU指标：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 ...   //系统启动以来的所有interrupts的次数情况
ctxt 22523049  //系统上下文切换次数
btime 1500827856  //启动时长(单位:秒)，从Epoch(即1970零时)开始到系统启动所经过的时长，每次启动会改变。
processes 23231  //系统启动后所创建过的进程数量。当短时间该值特别大，系统可能出现异常
procs_running 1  // 处于Runnable状态的进程个数
procs_blocked 0  // 处于等待I/O完成的进程个数
softirq 3552900 843593 733695 19691 93143 468832 12783 257382 610426 0 513355
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时间单位，sysconf(_SC_CLK_TCK)一般地定义为jiffies(一般地等于10ms)

iowait时间是不可靠值，理由如下：
CPU不会等待I/O执行完成，而iowait是等待I/O完成的时间。 当CPU进入idle状态，很可能会调度另一个task执行，所以iowait计算时间偏小；

计算方法

根据这个公式，我们就可以从 /proc/stat 中的数据，很容易地计算出 CPU 使用率。当然，也可以用每一个场景的 CPU 时间，除以总的 CPU 时间，计算出每个场景的 CPU 使用率。

这是开机以来的节拍数累加值，所以直接算出来的，是开机以来的平均 CPU 使用率，一般没啥参考价值。

为了计算 CPU 使用率，性能工具一般都会取间隔一段时间（比如 3 秒）的两次值，作差后，再计算出这段时间内的平均 CPU 使用率，即

top 默认使用 3 秒时间间隔，而 ps 使用的却是进程的整个生命周期。

CPU 使用率过高排查

1.通过 top、ps、pidstat 等工具，你能够轻松找到 CPU 使用率较高（比如 100% ）的进程。
2.寻找占用 CPU 的到底是代码里的哪个函数呢。

perf：perf 是 Linux 2.6.31 以后内置的性能分析工具。它以性能事件采样为基础，不仅可以分析系统的各种事件和内核性能，还可以用来分析指定应用程序的性能问题。

$ 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
...

#离线采集分析   -g 参数，开启调用关系的采样
perf record -g # 按 Ctrl+C 终止采样
perf report # 展示类似于 perf top 的报告
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第一行包含三个数据，分别是采样数（Samples）、事件类型（event）和事件总数量（Event count）。比如这个例子中，perf 总共采集了 833 个 CPU 时钟事件，而总事件数则为 97742399。

第一列 Overhead ，是该符号的性能事件在所有采样中的比例，用百分比来表示。
第二列 Shared ，是该函数或指令所在的动态共享对象（Dynamic Shared Object），如内核、进程名、动态链接库名、内核模块名等。
第三列 Object ，是动态共享对象的类型。比如 [.] 表示用户空间的可执行程序、或者动态链接库，而 [k] 则表示内核空间。
最后一列 Symbol 是符号名，也就是函数名。当函数名未知时，用十六进制的地址来表示。