CPU性能(一):什么是负载(load)?什么是平均负载(load average)?Linux中如何查看和分析这些数据?

在很早之前,我在一篇文章中总结了 htop 命令的使用,和 其中一些数据的含义。从那以后以后我深感对于一个程序员来讲,学会如何查看CPU使用情况,学会理解CUP如何工作非常的重要。
接下来跟着我一起开始学习理解CPU性能吧!PS:大神请关闭忽略 :)
使用的环境

Ubuntu 16.04 (vagrant + virtualbox构建的虚拟机)
4 核CPU
常用命令 htop、top & uptime

在我们想了解机器资源使用情况时,我们经常使用的命令有 **htop、top 和 uptime **,比如这样
$ uptime
07:05:47 up 6 min, 1 user, load average: 0.13, 0.32, 0.20

07:05:47 当前时间

up 6 min 系统运行时长

1 user 当前登录用户数量

load average:

0.13 过去1分钟平均负载

0.32 过去5分钟平均负载

0.20 过去15分钟平均负载

继续往下走,现在你可能的疑惑是——啥是平均负载?
误区纠正:这里平均负载(如0.13)并不是CPU的使用率是 13%。而是系统处于可运行状态和不可中断状态的平均进程数,或称为平均活跃进程数,它和 CPU 使用率并没半毛钱关系。
可运行状态:处于 R 状态(Running 或 Runnable)的进程,可以使用 ps命令中看到的R状态进程
不可中断状态: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。
例如,进程正在向磁盘写入数据,在得到磁盘回复前,该进程不能被打断。这是为了保证磁盘数据和进程数据的一致性。所以,不可中断状态实际上是系统对进程和硬件设备的一种保护机制。
由此我们可以想到,理想状态下,平均负载等于CPU个数,是正好将机器的性能发挥到极致,又不至于有一部分进程得不到执行。

查看CPU个数

$ grep 'model name' /proc/cpuinfo | wc -l
这里又有一个问题,uptime命令给出了3个平均负载,具体应该参考哪一个值呢?应该都参考
1 分钟、5 分钟、15 分钟的三个值基本相同,或者相差不大,那就说明系统负载很平稳。
1 分钟的值远小于 15 分钟的值,就说明系统最近 1 分钟的负载在减少,而过去 15 分钟内却有很大的负载。
反之亦然。
什么情况下会导致平均负载变化(升高)

这个问题,追根求源,还是要回到 平均负载 本身的定义上来——系统处于可运行状态和不可中断状态的平均进程数,或称为平均活跃进程数 ——包括正在使用 CPU 的、等待CPU 的 和等待 I/O 的 进程。。
CPU密集型进程, 此时的 CPU 使用率也会比较高。
I/O密集型基础,但 此时 CPU 使用率不一定高
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。
如何分析平均负载增高的原因

这里我们需要两个工具stress、sysstat
sudo apt install stress sysstat stress 是一个 Linux 系统压力测试工具,用来模拟平均负载升高的场景。 而 sysstat 包含了常用的 Linux 性能工具,用来监控和分析系统的性能。该包中有两个命令——mpstat 和 pidstat。 mpstat 是一个常用的多核 CPU 性能分析工具,用来实时查看每个 CPU 的性能指标,以及所有 CPU 的平均指标。 pidstat 是一个常用的进程性能分析工具,用来实时查看进程的 CPU、内存、I/O 以及上下文切换等性能指标。 现在我们开始实验: 开启4个终端(连接到同一台机器上) 情景1:分别依次执行(模拟CPU使用率高的情景) stress --cpu 1 --timeout 300
stress: info: [8149] dispatching hogs: 1 cpu, 0 io, 0 vm, 0 hdd
$ watch -d uptime

可以看到平均负载逐步增加到 1 左右,

-P ALL 表示监控所有 CPU,后面数字 3 表示间隔 3 秒后输出一组数据

$ mpstat -P ALL 3

在会看到 iowait 为 0,表明不是io导致平均负载(load avaerage)增加, 而其中一个cpu的 usr使用率增加到了100.00%,说明是CPU密集型进程导致的平均负载升高

$ pidstat -u 3

可以查看具体是哪个进程导致CPU使用率高的

情景2:分别依次执行(模拟I/O使用率高的情景)
stress -i 1 --timeout 300 具体分析同情景1大致相同 情景3:分别依次执行**(进程密集型情景)** stress -c 16 --timeout 300 # 我的机器有4个cpu,这里我模拟16个正在运行的进程
具体分析同情景1大致相同
总结(阅读完本文,我们学会了):

平均负载的定义、可运行状态的含义、不可中断状态的含义
带领大家实际操作,如何分析 平均负载 升高的原因

预告:下一期将带大家了解,CPU上下文

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