前言

做為一個性能測試工程師，每當我們發現計算機變慢的時候，我們通常的標準姿勢就是執行 uptime 或 top 命令，來了解系統的負載情況。

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比如像下面這樣，我在命令行里輸入了 uptime 命令，系統會返回一行信息。

但我想問的是，各位同學知道以上每列輸出的含義嗎?

20:44 # 當前時間up 21 days, 6:41 # 系統運行時間2 users # 正在登錄用戶數# 系統的平均負載，分別是1分鐘、5分鐘、15分鐘內系統的平均負載load averages: 2.85 2.33 2.91

這行信息的后半部分，顯示 "load average"，它的意思是"系統的平均載荷"，里面有三個數字，我們可以從中判斷系統負載是大還是小。

什么是系統平均負載?

我猜一定會有同學會說，平均負載不就是單位時間的 CPU 使用率嗎?上面 2.85，就代表 CPU 使用率是 285%。其實不是這樣的。

CPU 負載值在 Linux 系統中表示正在運行，處于可運行狀態的平均作業數(讀取一組與流程執行線程對應的機器語言的程序指令)，或者非常重要，休眠但不可中斷(不可交錯的休眠狀態))。也就是說，要計算 CPU 負載的值，只考慮正在運行或等待分配 CPU 時間的進程。不考慮正常的休眠過程(休眠狀態)，僵尸或停止的過程。

簡單來說，平均負載是指單位時間內，系統處于可運行狀態和不可中斷狀態的平均進程數，也就是平均活躍進程數，它和 CPU 使用率并沒有直接關系。

進程狀態代碼 R 正在運行或可運行(在運行隊列中) D 不間斷睡眠(通常為IO) S 可中斷睡眠(等待事件完成) Z 失效/僵尸，終止但未被其父 T 停止，由作業控制停止信號或因為它被追蹤 [...]

這里先解釋下，可運行狀態和不可中斷狀態。

可運行狀態的進程，指的是正在使用CPU或者正在等待CPU的進程，也就是我們常用 ps 命令看到處于 R 狀態(Running 或 Runnable)的進程。

不可中斷狀態的進程，指的是正處于內核態關鍵流程中的進程，并且這些流程是不可打斷的，比如常見是等待硬件設備的 I/O 響應。也就是我們在Ps 命令看到的D狀態(Uninterruptible Sleep，也稱為 Disk Sleep)的進程。 比如，當一個進程向磁盤讀寫數據時，為了保證數據的一致性，在得到磁盤回復前，它是不能被其他進程或者中斷打斷的，這個時間的進程就處于不可中斷狀態。如果此時的進程被打斷，就容易出現磁盤數據與進程數據不一致的問題。

所以，不可中斷狀態實際上是系統對進程和硬件設備的一種保護機制。

因此，我們可以簡單理解為，平均負載其實就是平均活躍進程數。平均活躍進程數，直觀上的理解就是單位時間內的活躍進程數。 既然平均的是是活躍進程數，那么理想的是，每個CPU上都剛好運行著一個進程，這樣每個CPU都得到了充分利用。

以下是單核處理器計算機中不同負載值的含義：

• 0.00：沒有任何作業正在運行或等待 CPU 執行，即 CPU 完全空閑。因此，如果正在運行的程序(進程)需要執行任務，它會向 CPU 請求操作系統，并立即為該進程分配 CPU 時間，因為沒有其他進程在競爭它。
• 0.50：沒有任何作業在等待，但 CPU 正在處理以前的作業，并且它正在以 50% 的容量進行處理。在這種情況下，操作系統還可以立即將 CPU 時間分配給其他進程，而無需將其置于保持狀態。
• 1.00：隊列中沒有作業，但 CPU 正在以 100% 的容量處理先前的作業，因此如果新進程請求 CPU 時間，則必須將其保留到另一個作業完成或當前 CPU 插槽時間(例如，CPU tick)到期，操作系統決定哪一個是下一個給定的進程優先級。
• 1.50：CPU 工作在其容量的 100%，15個工作中有5個請求CPU時間，即 33.33%，必須排隊等待其他人耗盡他們分配的時間。因此，一旦超過1.0 的閾值，就可以說系統過載，因為它不能立即處理所請求的 100% 的工作。

那么很顯然，"load average"的值越低，比如等于0.2或0.3，就說明服務器的工作量越小，系統負載比較低。

一個類比

上面還看太懂怎么辦?沒事，我們來看一個簡單的類比例子。

先假設最簡單的情況，你的計算機只有一個 CPU，所有的運算都必須由這個 CPU 來完成。

那么，我們不妨把這個 CPU 想象成一座大橋，橋上只有一根車道，所有車輛都必須從這根車道上通過。(很顯然，這座橋只能單向通行。)

系統負載為 0，意味著大橋上一輛車也沒有。

系統負載為 0.5，意味著大橋一半的路段有車。

系統負載為 1.0，意味著大橋的所有路段都有車，也就是說大橋已經"滿"了。但是必須注意的是，直到此時大橋還是能順暢通行的。

系統負載為 1.7，意味著車輛太多了，大橋已經被占滿了(100%)，后面等著上橋的車輛為橋面車輛的 70%。以此類推，系統負載 2.0，意味著等待上橋的車輛與橋面的車輛一樣多;系統負載 3.0，意味著等待上橋的車輛是橋面車輛的 2 倍。總之，當系統負載大于 1，后面的車輛就必須等待了;系統負載越大，過橋就必須等得越久。

CPU 的系統負載，基本上等同于上面的類比。大橋的通行能力，就是CPU 的***工作量;橋梁上的車輛，就是一個個等待 CPU 處理的進程(process)。

如果CPU 每分鐘最多處理100個進程，那么系統負載0.2，意味著CPU在這 1 分鐘里只處理 20 個進程;系統負載 1.0，意味著 CPU 在這 1 分鐘里正好處理 100 個進程;系統負載 1.7，意味著除了 CPU 正在處理的100 個進程以外，還有 70 個進程正排隊等著CPU處理。

為了計算機順暢運行，系統負載***不要超過 1.0，這樣就沒有進程需要等待了，所有進程都能***時間得到處理。很顯然，1.0 是一個關鍵值，超過這個值，系統就不在***狀態了，你要動手干預了。

多處理器和多核系統

在具有多個處理器或核心(多個邏輯 CPU)的系統中，CPU 負載值的含義取決于系統中存在的處理器數量。因此，具有4 個處理器的計算機在達到4.00的負載之前將不會以100%使用，因此在解釋由 top，htop 或正常運行時間等命令提供的3個負載值時，你必須要做的***件事 就是將它們分開。系統中存在的邏輯CPU數量，并從中得出結論。

舉個例子，如果你的計算機裝了 2 個 CPU，會發生什么情況呢? 2 個 CPU，意味著計算機的處理能力翻了一倍，能夠同時處理的進程數量也翻了一倍。 還是用大橋來類比，兩個 CPU 就意味著大橋有兩根車道了，通車能力翻倍了

所以，2 個CPU表明系統負載可以達到 2.0，此時每個 CPU 都達到 100%的工作量。推廣開來，n 個 CPU 的計算機，可接受的系統負載***為n.0。

芯片廠商往往在一個 CPU 內部，包含多個CPU核心，這被稱為多核CPU。

在系統負載方面，多核 CPU 與多 CPU 效果類似，所以考慮系統負載的時候，必須考慮這臺計算機有幾個 CPU、每個 CPU 有幾個核心。然后，把系統負荷除以總的核心數，只要每個核心的負荷不超過 1.0，就表明計算機正常運行。 怎么知道電腦有多少個 CPU 核心呢?

延伸閱讀：

性能基礎之CPU、物理核、邏輯核概念與關系

CPU使用率

如果我們觀察在給定時間間隔內通過 CPU 的不同進程，則利用率百分比將表示相對于 CPU 執行與每個進程相對應的指令的那個時間間隔的時間部分。但這種計算只運行的進程，而不是那些正在等待，無論它們是在隊列(可運行狀態)還是睡著但不可中斷(例如在等待輸入/輸出操作的結束)被認為。 因此，這個指標可以讓我們了解哪些進程***程度地擠壓 CPU，但是如果系統狀態過載或者未充分利用，則不能給出真實的系統狀態圖。

現實工作中，我們經常容易把平均負載和 CPU 使用率混淆，從上面我們知道平均負載是指單位時間內，處于可運行狀態和不可中斷狀態的進程數。所以，它不僅包括正在使用 CPU 的進程，還包括等待 CPU 和等待I/O 的進程。而 CPU使用率，從上面的解釋我們知道是單位時間內繁忙程度，跟平均負載并不一定完全對應。比如：

• CPU 密集型進程，使用大量 CPU 會導致平均負載升高，這時候兩者是一致的。
• I/O 密集型進程，等待 I/O 也會導致平均負載升高，但 CPU 使用率不一定很高。
• 大量等待 CPU 的進程調度也會導致平均負載很高，此時的 CPU 使用率也會比較高。

注意輸入/輸出(I / O)操作

在本文反復強調了不間斷睡眠狀態非常重要 (***張圖中的D)，因為有時你可以在計算機中找到非常高的負載值，然而不同的運行過程使用率相對較低。如果你不考慮這種狀態，你會發現情況莫名其妙，你將不知道如何處理它。當進程等待某個資源的釋放并且其執行不能被中斷時，例如當它等待不可中斷的 I/O 操作時，進程處于此狀態完成(并非所有都是不可中斷的)。通常，這種情況是由于磁盤故障，網絡文件系統(如NFS故障)或大量使用非常慢的設備(例如USB 1.0 pendrive)而發生的。

在這種情況下，我們將不得不使用替代工具，如 iostat 或 iotop，它們將指示哪些進程正在執行更多的 I/O 操作，以便我們可以殺死這些進程或為它們分配較少的優先級(nice命令)能夠為其他更關鍵的進程分配更多的CPU 時間。

一些技巧

系統過載并超過1.0的負載值有時不是問題，因為即使有一些延遲，CPU也會處理隊列中的作業，負載將再次降低到1.0以下的值。但是如果系統的持續負載值大于1，則意味著它無法吸收執行中的所有負載，因此其響應時間將增加，系統將變得緩慢且無響應。高于1的高值，尤其是***5分鐘和15分鐘的負載平均值是一個明顯的癥狀，要么我們需要改進計算機的硬件，通過限制用戶可以對系統的使用來節省更少的資源，或者除以多個相似節點之間的負載。

因此，我們提出以下建議：

• >=0.70：沒有任何反應，但有必要監控 CPU 負載。如果在一段時間內保持這種狀態，就必須在事情變得更糟之前進行調查。
• >=1.00：存在問題，您必須找到并修復它，否則系統負載的主要高峰將導致您的應用程序變慢或無響應。
• >=3.00：你的系統變得 非常慢。甚至很難從命令行操作它來試圖找出問題的原因，因此修復問題需要的時間比我們之前采取的行動要長。你冒的風險是系統會更飽和并且肯定會崩潰。
• >=5.00：你可能無法恢復系統。你可以等待奇跡自發降低負載，或者如果你知道發生了什么并且可以負擔得起，你可以在控制臺中啟動 kill-9 之類的命令 ，并祈求它運行在某些時候，以減輕系統負荷并重新獲得其控制權。否則，你肯定別無選擇，只能重新啟動計算機。