【操作系统】CPU平均负载和使用率

1.CPU的平均负载

（1）什么是CPU的平均负载

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，就是平均活跃进程数，和CPU使用率并没有直接关系

• 可运行状态

• 正在使用CPU或者正在等待CPU的进程
• 用 ps aux命令看到的处于R状态（Running 或 Runnable）的进程

• 不可中断状态

• 正处于内核态关键流程中的进程，且流程不可以打断的。
• 比如等待硬件设备的I/O响应，为例保证数据的一致性，进程向磁盘读写数据时，在得到磁盘响应前是不能被其他进程或者中断打断的。
• ps aux命令看到的处于D状态的进程 Uninterruptible Sleep

（2）PS中常见STAT状态

（3）如何查看平均负载 uptime 命令

• load average后的3个数字就分别代表着1分钟，5分钟，15分钟的CPU平均负载

• 查看服务器总的逻辑CPU个数：cat /proc/cpinfo | grep “processor” | wc -l

• 如果平均负载为2，那在2个CPU核数时则刚好利用，如果4个CPU核数，则有50%的空闲

分析：

• 1，5，15分钟的数值相差不大，说明负载很平稳
• 如果1分钟的值远小于15分钟的值，说明系统最近1分钟的负载在降低，而过去15分钟却有很大的负载
• 如果1分钟的值远大于15分钟的值，最近1分钟的负载在增加，平均负载接近或超过了CPU的个数，意味着系统正在发生过载问题，持续的长时间则说明了出现问题需要优化
• 在一个单核CPU 系统平均负载为 1.80，0.90，5.48

• 在过去 1 分钟内，系统有 80% 的超载，而在 15 分钟内，有 448% 的超载，从整体趋势来看，系统的负载在降低

• 常规推荐CPU平均负载等于CPU核数即可，也看业务场景和历史趋势，判断变化方向

2.CPU的使用率

（1）什么是CPU的使用率

CPU非空闲态运行的时间占比，反馈CPU的繁忙程度，和平均负载不一定完全一致，生产环境的CPU总使用率不要超过70%~80%

（2）Linux的top命令查看CPU使用率

• us(user)：CPU在用户态运行的时间百分比，通常用户态 CPU 高表示有应用程序比较繁忙，值高则cpu使用率高
• sy(sys)：CPU 在内核态运行的时间百分比（不包括中断），内核态 CPU 越低越不忙，值高则cpu使用率高
• id(idle)：CPU 处于空闲态的时间占比，CPU 会执行一个特定的虚拟进程，名为 System Idle Process，值高的话，则说明CPU比较空闲
• wa(iowait)：CPU 在等待 I/O 操作完成所消耗的时间，该指标越低越好，高表示可能 I/O 存在瓶颈，用 iostat 命令进一步分析
• hi(hardirq)：CPU 处理硬中断所花费的时间，由外设硬件（如键盘控制器、硬件传感器等）发出的中断信号，快速执行
• si(softirq)： CPU 处理软中断所花费的时间，由软件程序（如网络收发、定时调度等）发出的中断信号，延迟执行
• st(steal)： CPU 被其他虚拟机占用的时间，仅出现在多虚拟机场景，指标过高的话，检查下宿主机或其他虚拟机是否异常

（3）CPU使用率和平均负载区别

【CPU平均负载】指单位时间内活跃的进程数，包括正在使用CPU进程，还包括等待CPU和等待I/O的进程，【可运行状态】和【不可中断状态】的平均进程数

【CPU使用率】是单位时间内CPU繁忙情况的统计

（4）区别说明

• CPU密集型进程，使用大量CPU运算，会导致平均负载升高，这个场景这两者是一致的。
• 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

• CPU的效率要远高于磁盘，磁盘读写请求过多就会导致大量的I/O等待
• 进程在 CPU 上访问磁盘文件，CPU 会向内核发起调用文件的请求，让内核去磁盘取文件，这个时候CPU会切换到其他进程或者空闲
• 任务会转换为 不可中断睡眠状态，当这种读写请求过多会导致不可中断睡眠状态的进程过多，导致CPU负载高，利用率低的情况

• 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密集型应用也叫计算密集型，表示该任务需要大量的运算，没有阻塞CPU一直全速运行，对视频进行高清解码、机器学习和深度学习的模型训练等
• IO密集型应用 程序需要大量I/O操作，大部分的时间是CPU在等IO (硬盘/内存) 的读写操作，CPU使用率低，但等待IO 也会导致平均负载升高，例如：数据库交互，文件上传下载，网络数据传输

I/O操作，大部分的时间是CPU在等IO (硬盘/内存) 的读写操作，CPU使用率低，但等待IO 也会导致平均负载升高，例如：数据库交互，文件上传下载，网络数据传输