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。

比如像下面這樣，我在命令列裡輸入了 uptime 命令，系統會返回一行資訊。

1. appletekimbp:~ apple$ uptime

2. 20:44 up 21 days, 6:41, 2 users, load averages: 2.85 2.33 2.91

但我想問的是，各位同學知道以上每列輸出的含義嗎？

1. 20:44 # 當前時間

2. up 21 days, 6:41 # 系統執行時間

3. 2 users # 正在登入使用者數

5. # 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

6. load averages: 2.85 2.33 2.91

這行資訊的後半部分，顯示 "load average"，它的意思是"系統的平均負載"，裡面有三個數字，我們可以從中判斷系統負載是大還是小。

什麼是系統平均負載？

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 系統中表示正在執行，處於可執行狀態的平均作業數（讀取一組與流程執行執行緒對應的機器語言的程式指令），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，只考慮正在執行或等待分配 CPU 時間的程序。不考慮正常的休眠過程（休眠狀態），殭屍或停止的過程。

簡單來說，平均負載是指單位時間內，系統處於可執行狀態和不可中斷狀態的平均程序數，也就是平均活躍程序數，它和 CPU 使用率並沒有直接關係。

程序狀態程式碼 R 正在執行或可執行（在執行佇列中） D 不間斷休眠（通常為IO） S 可中斷休眠（等待事件完成） Z 失效/殭屍，終止但未被其父 T 停止，由作業控制停止訊號或因為它被追蹤 [...]

這裡先解釋下，可執行狀態和不可中斷狀態。

可執行狀態的程序，指的是正在使用CPU或者正在等待CPU的程序，也就是我們常用 ps 命令看到處於 R 狀態（Running 或 Runnable）的程序。

不可中斷狀態的程序，指的是正處於核心態關鍵流程中的程序，並且這些流程是不可打斷的，比如常見是等待硬體裝置的 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）的程序。 比如，當一個程序向磁碟讀寫資料時，為了保證資料的一致性，在得到磁盤迴復前，它是不能被其他程序或者中斷打斷的，這個時間的程序就處於不可中斷狀態。如果此時的程序被打斷，就容易出現磁碟資料與程序資料不一致的問題。

所以，不可中斷狀態實際上是系統對程序和硬體裝置的一種保護機制。

因此，我們可以簡單理解為，平均負載其實就是平均活躍程序數。平均活躍程序數，直觀上的理解就是單位時間內的活躍程序數。 既然平均的是是活躍程序數，那麼理想的是，每個CPU上都剛好執行著一個程序，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：沒有任何作業正在執行或等待 CPU 執行，即 CPU 完全空閒。因此，如果正在執行的程式（程序）需要執行任務，它會向 CPU 請求作業系統，並立即為該程序分配 CPU 時間，因為沒有其他程序在競爭它。

• 0.50：沒有任何作業在等待，但 CPU 正在處理以前的作業，並且它正在以 50％ 的容量進行處理。在這種情況下，作業系統還可以立即將 CPU 時間分配給其他程序，而無需將其置於保持狀態。

• 1.00：佇列中沒有作業，但 CPU 正在以 100％ 的容量處理先前的作業，因此如果新程序請求 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，作業系統決定哪一個是下一個給定的程序優先順序。

• 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。

那麼很顯然，"load average"的值越低，比如等於0.2或0.3，就說明伺服器的工作量越小，系統負載比較低。

一個類比

上面還看太懂怎麼辦？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。

那麼，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，大橋已經被佔滿了（100%），後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，當系統負載大於 1，後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，基本上等同於上面的類比。大橋的通行能力，就是CPU 的最大工作量；橋樑上的車輛，就是一個個等待 CPU 處理的程序（process）。

如果CPU 每分鐘最多處理100個程序，那麼系統負載0.2，意味著CPU在這 1 分鐘裡只處理 20 個程序；系統負載 1.0，意味著 CPU 在這 1 分鐘里正好處理 100 個程序；系統負載 1.7，意味著除了 CPU 正在處理的100 個程序以外，還有 70 個程序正排隊等著CPU處理。

為了計算機順暢執行，系統負載最好不要超過 1.0，這樣就沒有程序需要等待了，所有程序都能第一時間得到處理。很顯然，1.0 是一個關鍵值，超過這個值，系統就不在最佳狀態了，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 負載值的含義取決於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 或正常執行時間等命令提供的3個負載值時，你必須要做的第一件事 就是將它們分開。系統中存在的邏輯CPU數量，並從中得出結論。

舉個例子，如果你的計算機裝了 2 個 CPU，會發生什麼情況呢？ 2 個 CPU，意味著計算機的處理能力翻了一倍，能夠同時處理的程序數量也翻了一倍。 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，可接受的系統負載最大為n.0。

晶片廠商往往在一個 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。然後，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，就表明計算機正常執行。 怎麼知道PC有多少個 CPU 核心呢？

CPU使用率

如果我們觀察在給定時間間隔內通過 CPU 的不同程序，則利用率百分比將表示相對於 CPU 執行與每個程序相對應的指令的那個時間間隔的時間部分。但這種計算只執行的程序，而不是那些正在等待，無論它們是在佇列（可執行狀態）還是休眠但不可中斷（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瞭解哪些程序最大程度地擠壓 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，處於可執行狀態和不可中斷狀態的程序數。所以，它不僅包括正在使用 CPU 的程序，還包括等待 CPU 和等待I/O 的程序。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，跟平均負載並不一定完全對應。比如：

• CPU 密集型程序，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 密集型程序，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 的程序排程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

在本文反覆強調了不間斷休眠狀態非常重要 （第一張圖中的D），因為有時你可以在計算機中找到非常高的負載值，然而不同的執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。當程序等待某個資源的釋放並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，程序處於此狀態完成（並非所有都是不可中斷的）。通常，這種情況是由於磁碟故障，網路檔案系統（如NFS故障）或大量使用非常慢的裝置（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，它們將指示哪些程序正在執行更多的 I/O 操作，以便我們可以殺死這些程序或為它們分配較少的優先順序（nice命令）能夠為其他更關鍵的程序分配更多的CPU 時間。

一些技巧

系統過載並超過1.0的負載值有時不是問題，因為即使有一些延遲，CPU也會處理佇列中的作業，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於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。高於1的高值，尤其是最後5分鐘和15分鐘的負載平均值是一個明顯的症狀，要麼我們需要改進計算機的硬體，通過限制使用者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，您必須找到並修復它，否則系統負載的主要高峰將導致您的應用程式變慢或無響應。

• >=3.00：你的系統變得非常慢。甚至很難從命令列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採取的行動要長。你冒的風險是系統會更飽和並且肯定會崩潰。

• >=5.00：你可能無法恢復系統。你可以等待奇蹟自發降低負載，或者如果你知道發生了什麼並且可以負擔得起，你可以在控制檯中啟動kill-9<process_name>之類的命令 ，並祈求它執行在某些時候，以減輕系統負荷並重新獲得其控制權。否則，你肯定別無選擇，只能重新啟動計算機。