linux cpu负载详解

简介

本文主要从常用的top命令入手，说明linux下的cpu 负载是怎么回事，以及帮助大家简单判断cpu负载高的原因。
[poc]

top查看机器负载

我们在linux下使用top指令将会输出如下图所示页面：

这里的load average以及缩写的us、sy、ni、id、wa、hi、si、st都是些什么意思呢？这些值在一个什么样的区间比较合理呢？如果值超过了合理区间，应该怎么处理呢？这篇将来聊聊这些问题。

load average

load average代表CPU的平均负载值，上面示例中的load average: 0.00, 0.03, 0.00分别表示当前CPU在1分钟、5分钟和15分钟内的平均负载。
这些负载值是怎么来的呢？
这些数据来自于文件/proc/loadavg，内核会负责统计出这些数据。
top和uptime命令显示的内容就来自于这个文件，根据proc的帮助文件可知，这里的值就是单位时间内处于运行状态以及等待磁盘 I/O状态的平均job数量。这里的运行状态和job都是内核的概念，这里进行说明：
1、 对于内核而言，进程和线程都是job
2、 job处于运行状态指job处于内核的运行队列中，正在或等待被CPU调度（用户空间的进程正在运行不代表需要被CPU调度，有可能在等待I/O，也有可能在sleep等等）
因为某一刻（瞬间）等待调度的进程多少并不能反映系统的整体压力，所以这里取了1,5和15分钟的平均值。
那么这个值的大小反映系统什么样的一个压力状态呢？这里以单核CPU为例

1、 小于1： 说明平均每次只有不到一个job在忙，对于单核的CPU来说，完全能处理过来
2、 等于1： 说明平均每次刚好有一个job在忙，对于单核的CPU来说，刚好能处理过来
3、 大于1： 说明平均每次有多于一个job在忙，对于单核的CPU来说，由于一次只能处理一个任务，所以肯定有任务在等待，说明系统负载较大，调度不过来，有job需要等待

对于单核cpu，一旦大于1，就说明job得不到及时调度，系统性能将会受到影响。对于2核心来说，该值大于2才说明cpu忙不过来。
那这个值多大比较合适呢？其实没有一个标准值，但一般的做法是预留一定的空间来应对系统负载的波动，建议控制在“0.7核数”以内，比如4核，那么0.74=2.8比较合适，一旦超过这个值，需要分析原因并着手解决。

top之%Cpu(s)

load average通过统计等待运行的平均job数量来推断CPU的繁忙程度，而%Cpu(s)则直接统计CPU处于不同状态的时间，比上面的load average更直观，所以在实际上也被使用的更多。

总体来说，CPU会处于下面三种状态中的一种：

1、 Idle： 处于空闲状态，没有任务需要调度
2、 User space： 正在运行user space的代码（处于用户态）
3、 Kernel： 正在运行内核的代码（处于内核态）

对上面这三种状态，内核又进一步细分为很多状态，这里以上面输出的8种状态为例进行说明：

1、 2.5 us ： 表示CPU有2.5%的时间在运行用户态代码（即在运行用户态程序）
2、 1.8 sy ： 表示CPU有1.8%的时间在运行内核态代码。内核负责管理系统的所有进程和硬件资源，所有的内核代码都运行在内核态，当用户态进程需要访问硬件资源时，如分配内存，读写I/O等，也需要通过系统调用进入内核态运行内核代码。%sy高说明内核占用太多资源，或者用户进程发起了太多的系统调用。
3、 3.1 ni ： 表示CPU有3.1%的时间在运行niceness不为0的进程代码。默认情况下，进程的niceness值都为0，但可以通过命令nice来启动一个进程并指定其niceness值，niceness的取值范围是-20到19，值越小，表示优先级越高，越优先被内核调度。
4、 90.5 id ： 表示CPU有90.5%的时间处于空闲状态
5、 1.7 wa ： 表示CPU有1.7%的时间处于I/O等待状态。通常情况下，当CPU遇到一个I/O操作时，会先触发I/O操作，然后去干别的，等I/O操作完成后，CPU再接着继续工作，但如果这时系统比较空闲，CPU没有别的事情可以做，那么CPU将处于等待状态，这种处于等待状态的时间将会被统计进I/O wait，也就是说CPU处于I/O wait状态即CPU闲着没事干在等I/O操作结束，和idle几乎是一样的。这个值高说明CPU闲且I/O操作多或者I/O操作慢，但低并不能说明没有I/O操作或者I/O操作快，有可能是CPU在忙别的，所以这只是一个参考值，需要和其他的统计项一起来分析。
6、 0.0 hi & 0.4 si ：　这两个值反映了CPU有多少时间花在了中断处理上，hi（hardware interrupts）是硬件中断，si(softirqs)是软件中断。硬件中断一般由I/O设备引起，如网卡、磁盘等，发生硬件中断后，CPU需要立即处理，当硬件中断中需要处理的事情很多时，内核会生成相应的软中断，然后将耗时且不需要立即处理完成的操作放在软中断中执行，比如当网卡收到网络包时，需要CPU立即把数据拷贝到内存中去，因为网卡自带的缓存较小，如果不及时处理的话后面的数据包就进不来，导致丢包，当数据拷贝到内存中之后，就不需要那么着急的处理了，这时候可以将处理数据包（协议栈）的代码放在软中断中执行。本人不是内核专家，关于软中断的部分请参考Understanding the Linux Kernel, 3rd Edition
7、 0.0 st　： %st和虚拟机有关，当系统运行在虚拟机中时，当前虚拟机就会和宿主机以及其它的虚拟机共享CPU，%st就表示当前虚拟机在等待CPU为它服务的时间。该值越大，表示物理CPU被宿主机和其它虚拟机占用的时间越长，导致当前虚拟机得不到充足的CPU资源。如果%st长时间大于0，说明CPU资源得不到满足，这时可以考虑将虚拟机移到其它机器上，或者减少当前机器运行的虚拟机数量。

上面这些统计项的总和等于100%，除了%idle之外，其它的任何一项数值过高都代表系统有问题，下面进行问题解决。

负载过高问题处理

1、 %us过高 ： 表示有用户态进程占用了过多的CPU，通过top命令可以很清楚的看到是哪个进程，如果这不是预期的行为，可以通过kill命令杀死相应的进程或者重启它
2、 %sy过高 ： 如果只是偶尔过高的话，不用担心，但如果是持续走高的话，就需要重视，有可能是某些进程的系统调用太频繁，比如进程不停的往控制台输出日志，但如果用户态的进程都没有问题，那可能是内核里面的代码出现了问题，尤其是代码写的不好的驱动模块
3、 %ni过高 ： 说明有人用nice程序运行了比较耗CPU的进程。如果niceness值大于0的话，就没什么好担心的，因为它的优先级比默认优先级要低，不会影响CPU性能，但最好还是确认一下该进程不会抢占系统的其它资源，如内存、磁盘I/O等，避免对系统整体性能造成影响。如果niceness值小于0的话，表示该进程优先级高且占用CPU资源多，需要确保该进程占用的CPU资源是符合预期的，如果不是，可以用top命令把它找出来并kill掉或者重启。
4、 %wa过高 ： 意味着系统中有进程在做大量的I/O操作，或者在读写速度比较慢的I/O设备，比如频繁的读写磁盘，这时可以通过iotop命令来查看是哪些进程占I/O，然后再针对不同的进程做相应的处理；还有一种情况就是系统在频繁的使用交换分区，这时需要解决的就是内存的问题，而不是I/O的问题。
5、 %hi或者%si过高 ： %hi过高一般是硬件出问题了，%si过高一般是内核里面的代码出问题了
6、 %st 过高 ： 正如上面介绍介绍的那样，%st过高表示当前虚拟机得不到足够的CPU资源。这时可以考虑将当前虚拟机搬迁到其它的主机上，或者想办法降低当前主机的负载，比如关掉一些其它的虚拟机。

总结

load average和%Cpu(s)以不同的方式给出了当前主机的CPU负载情况，通过%Cpu(s)我们可以看到系统当前的实时负载，现在很多监控系统每隔一段时间都会采集一次%Cpu(s)，然后存储起来以图形的方式展示出来，对每个节点做负载监控很重要，防止节点出现问题。