平均負(fù)載與 CPU 使用率，到底有啥區(qū)別？

作者：陳樹義 2022-09-15 08:01:32

很多操作系統(tǒng)教科書將 CPU 上執(zhí)行的進(jìn)程定義為 RUNNING 狀態(tài)，而將可執(zhí)行但是尚未被調(diào)度執(zhí)行的進(jìn)程定義為 READY 狀態(tài)，這兩種狀態(tài)在 Linux 系統(tǒng)下統(tǒng)一為 TASK_RUNNING 狀態(tài)。

?大家好，我是樹哥。

在性能優(yōu)化中，我們經(jīng)常會關(guān)注 CPU 平均負(fù)載這個指標(biāo)。但如果讓你來跟我解釋一下什么是平均負(fù)載，你能說得清楚嗎？它跟 CPU 使用率有什么區(qū)別？我想可能很多人都數(shù)不清楚，今天我們就來盤一盤 CPU 平均負(fù)載這個指標(biāo)！

平均負(fù)載與 CPU 使用率，到底有啥區(qū)別？

Linux 進(jìn)程狀態(tài)

要弄明白 CPU 平均負(fù)載，我們還需要從 Linux 進(jìn)程狀態(tài)說起。

在 Linux 源碼的 fs/proc/array.c 文件中，其定義了進(jìn)程的 7 種狀態(tài)，如下所示：

/*
* The task state array is a strange "bitmap" of
* reasons to sleep. Thus "running" is zero, and
* you can test for combinations of others with
* simple bit tests.
*/
static const char * const task_state_array[] = {
  "R (running)",        /*   0 */
  "S (sleeping)",        /*   1 */
  "D (disk sleep)",    /*   2 */
  "T (stopped)",        /*   4 */
  "t (tracing stop)",    /*   8 */
  "X (dead)",        /*  16 */
  "Z (zombie)",        /*  32 */
};

第一種狀態(tài)：TASK_RUNNING 可執(zhí)行狀態(tài)，縮寫 R。

該狀態(tài)表示進(jìn)程可以在 CPU 上運(yùn)行，即具備運(yùn)行的條件。但同一時刻可能有多個進(jìn)程可以運(yùn)行，但并不代表該進(jìn)程已經(jīng)在運(yùn)行。處于 TASK_RUNNING 的進(jìn)程會被放入 CPU 的可執(zhí)行隊(duì)列中，隨后會被進(jìn)程調(diào)度器分配到其中一個 CPU 上運(yùn)行。

第二種狀態(tài)：TASK_INTERRUPTIBLE 可中斷的睡眠狀態(tài)，縮寫 S。

該狀態(tài)的進(jìn)程表示因?yàn)榈却衬硶r間的發(fā)生而被掛起，例如：等待 socket 連接、等待信號量等等。這些進(jìn)程會被放入對應(yīng)事件的等待隊(duì)列中，當(dāng)這些事件發(fā)生時，對應(yīng)等待隊(duì)列中的一個或多個進(jìn)程將被喚醒。

通過 ps 命令我們可以看到，絕大多數(shù)進(jìn)程都處于 TASK_INTERRUPTIBLE 狀態(tài)。這是因?yàn)橛捎?CPU 只有那么幾個，而進(jìn)程卻動輒幾百上千，因此絕大多數(shù)進(jìn)程在某個時刻都是處于睡眠狀態(tài)的。如果不是絕大多數(shù)進(jìn)程都在睡眠，CPU 是無法響應(yīng)得過來的。

第三種狀態(tài)：TASK_UNINTERRUPTIBLE 不可中斷睡眠狀態(tài)，縮寫 D。

該狀態(tài)與 TASK_INTERRUPTIBLE 狀態(tài)類似，進(jìn)程處于睡眠狀態(tài)，但唯一不同的點(diǎn)是該進(jìn)程是不可中斷的。不可中斷指的并不是 CPU 不響應(yīng)外部硬件的中斷，而是指進(jìn)程不響應(yīng)異步信號。

絕大多數(shù)情況下，進(jìn)程處在睡眠狀態(tài)時，總是應(yīng)該能夠響應(yīng)異步信號的。即你能夠通過 kill -15 pid? 方式傳遞異步信號，程序可以做出響應(yīng)。但有時候你會驚奇地發(fā)現(xiàn)，kill -9 竟然殺不死一個正在睡眠的進(jìn)程了，這時候有可能就是該進(jìn)程處于不可中斷睡眠狀態(tài)了！

TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)存在的意義就在于：內(nèi)核的某些處理流程是不能被打斷的，例如：在進(jìn)程對某些硬件進(jìn)行操作時，如果產(chǎn)生中斷的話會導(dǎo)致進(jìn)程與硬件設(shè)備交互被打斷，使得設(shè)備陷入不可控狀態(tài)。這種情況下的 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)總是非常短暫的，通過 ps 命令基本上不可能捕捉到。

第四、五種狀態(tài)：TASK_STOPPED 暫停狀態(tài)、TASK_TRACED 狀態(tài)，縮寫 T。

當(dāng)我們向進(jìn)程發(fā)送一個 SIGSTOP 信號時，它就會因響應(yīng)該信號而進(jìn)入 TASK_STOPPED 狀態(tài)。除非該進(jìn)程本身處于 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)而不響應(yīng)信號）。向進(jìn)程發(fā)送一個 SIGCONT 信號，可以讓其從 TASK_STOPPED 狀態(tài)恢復(fù)到 TASK_RUNNING 狀態(tài)。

第六種狀態(tài)：TASK_DEAD - EXIT_ZOMBIE 退出狀態(tài)，縮寫 Z。

進(jìn)程退出之后，進(jìn)程所占有的所有資源將被回收，隨后該進(jìn)程就被成為僵尸進(jìn)程（Zombie）。一般情況下是子進(jìn)程先于父進(jìn)程退出，并且父進(jìn)程沒有調(diào)用 wait 或 waitpid 回收子進(jìn)程。此時子進(jìn)程即處于僵尸狀態(tài)。

第七種狀態(tài)：TASK_DEAD - EXIT_DEAD 退出狀態(tài)，縮寫 X。

進(jìn)程被置于 EXIT_DEAD 退出狀態(tài)，這意味著接下來的代碼立即就會將該進(jìn)程徹底釋放。一般情況下 EXIT_DEAD 狀態(tài)是非常短暫的，幾乎不可能通過 ps 命令捕捉到。

看完了 Linux 進(jìn)程的 7 種狀態(tài)，是不是有點(diǎn)懵了？其實(shí)你只需要記住 Linux 有這 7 種狀態(tài)，其中最重要的是 RUNNING 狀態(tài)、UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)就可以了。

我們總結(jié)一下 Linux 的 7 種進(jìn)程狀態(tài)：

TASK_RUNNING 可執(zhí)行狀態(tài)，縮寫 R。
TASK_INTERRUPTIBLE 可中斷的睡眠狀態(tài)，縮寫 S。
TASK_UNINTERRUPTIBLE 不可中斷睡眠狀態(tài)，縮寫 D。
TASK_STOPPED 暫停狀態(tài)、TASK_TRACED 狀態(tài)，縮寫 T。
TASK_DEAD - EXIT_ZOMBIE 退出狀態(tài)，縮寫 Z。
TASK_DEAD - EXIT_DEAD 退出狀態(tài)，縮寫 X。

平均負(fù)載的定義

平均負(fù)載的定義是：單位時間內(nèi)，系統(tǒng)中處于可運(yùn)行狀態(tài)和不可中斷狀態(tài)的平均進(jìn)程數(shù)。這里的可運(yùn)行狀態(tài)和不可中斷狀態(tài)，指的就是上文說到的進(jìn)程狀態(tài)。從平均負(fù)載的定義來看，其與進(jìn)程所處的狀態(tài)有關(guān)系，因此我們后續(xù)分析平均負(fù)載的時候，要以該定義為基礎(chǔ)去分析。

對于有 4 核 CPU 的機(jī)器，如果一共運(yùn)行了 4 個進(jìn)程，那么每個 CPU 都運(yùn)行了 1 個進(jìn)程，此時所有的 CPU 都剛好被完全占用。

而如果只有 2 個進(jìn)程，那么意味著 CPU 有 50% 的空閑。而如果有 8 個進(jìn)程，那么意味著 CPU 超載了，平均負(fù)載達(dá)到了 2，但單位時間內(nèi)單個 CPU 需要運(yùn)行 2 個進(jìn)程。

我們可以通過讀取 /proc/cpuinfo 文件獲取系統(tǒng) CPU 信息，如下所示：

$ grep 'model name' /proc/cpuinfo | wc -l2

當(dāng)平均負(fù)載比 CPU 個數(shù)還多的時候，就表示系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)了負(fù)載。一般情況下，負(fù)載不超過 70% 的情況下都是正常的。

很多人都會將 CPU 平均負(fù)載與 CPU 使用率搞混，實(shí)際上它們有一定關(guān)聯(lián)，但不是同一個東西。

平均負(fù)載是指單位時間內(nèi)，處于可運(yùn)行狀態(tài)和不可中斷的進(jìn)程數(shù)。從其定義可以知道，其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。而 CPU 使用率指的是正在使用 CPU 的進(jìn)程，由此可見它們兩者是不同的。

如果是 CPU 密集型的進(jìn)程，因?yàn)檫M(jìn)程大量使用 CPU，因此平均負(fù)載會上升，CPU 使用率會上升。但如果是 I/O 密集型進(jìn)程，有很多進(jìn)程在等待 I/O 操作，此時進(jìn)程處于不可中斷狀態(tài)，因此平均負(fù)載會升高，但是 CPU 使用率卻不一定很高。

由此可見，平均負(fù)載與 CPU 使用率有一定關(guān)聯(lián)，但并沒有絕對的關(guān)系。

如何查看平均負(fù)載？

一般來說，我們可以通過 top? 和 uptime 命令來監(jiān)控服務(wù)器的平均負(fù)載。

在服務(wù)器命令行輸入 top 即可查看到當(dāng)前系統(tǒng)的負(fù)載情況，如下圖所示。

上圖中平均負(fù)載的 3 個數(shù)值分別代表 1 分鐘、5 分鐘、15 分鐘系統(tǒng)的平均負(fù)載情況。通過這三個數(shù)值的變化，我們可以知道系統(tǒng)最近一段時間的壓力變化趨勢。例如：load average: 15.00, 10.75, 3.25 表示過去 1 分鐘負(fù)載為 15，過去 5 分鐘負(fù)載為 10.75，過去 15 分鐘負(fù)載為 3.25，可以看到其平均負(fù)載壓力是越來越大的。

top? 命令輸出的信息非常多，有時候會干擾我們的視野。所以如果你只需要看系統(tǒng)負(fù)載情況，那么你可以用 uptime 命令，如下圖所示。