linux之平均负载（学习笔记非原创）
什么是平均负载
[root@111 ~]# uptime
11:03:33 up 149 days, 17:34, 1 user, load average: 0.08, 0.05, 0.01
最后三个数字，依次则是过去1分钟、5分钟、15分钟的平均负载（Load Average），常用的top工具也能展示
平均负载作为极其重要的系统指标，是指单位时间内，系统处于可运行状态和不可中断状态的平均进程数，也就是平均活跃进程数，它和CPU使用率并没有直接关系。
可运行状态的进程，是指正在使用CPU或者正在等待CPU的进程，也就是我们常用ps命令看到的，处于R状态（Running 或 Runnable）的进程。
不可中断状态的进程则是正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（Uninterruptible Sleep）的进程。
比如，当一个进程向磁盘读写数据时，为了保证数据的一致性，在得到磁盘回复前，它是不能被其他进程或者中断打断的，这个时候的进程就处于不可中断状态。如果此时的进程被打断了，就容易出现磁盘数据与进程数据不一致的问题。
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。
综上所述，平均负载其实就是平均活跃进程数，即单位时间内的活跃进程数。
平均负载为多少时合理
最理想的状态，是每个CPU上都刚好跑着一个进程，这样每个CPU都得到了充分利用。比如当平均负载为2时，意味着什么呢？
在只有2个CPU的系统上，意味着所有的CPU都刚好被完全占用。
在4个CPU的系统上，意味着CPU有50%的空闲。
而在只有1个CPU的系统中，则意味着有一半的进程竞争不到CPU。
所以，平均负载最理想的情况是等于 CPU个数。在评判平均负载时，首先要知道系统有几个 CPU，可以通过 top 命令或者从文件 /proc/cpuinfo 中读取，比如：
逻辑cpu个数：
[root@111 ~]# grep processor /proc/cpuinfo |wc -l
4
一般来说，实际生产环境中，当平均负载为 CPU 数量的70-80%的时候，就应该分析排查负载高的问题了。
另一方面，我们需要关注平均负载三个数值的变化：
如果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。
但如果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。
反过来，如果1分钟的值远大于 15 分钟的值，就说明最近1分钟的负载在增加，这种增加有可能只是临时性的，也有可能还会持续增加下去，所以就需要持续观察。一旦1分钟的平均负载接近或超过了CPU的个数，就意味着系统正在发生过载的问题，这时就得分析调查是哪里导致的问题，并要想办法优化了。
举个栗子，4核的机子，平均负载为 3.23，1.60，6.98：
- 在过去的15分钟，平均负载超过cpu个数，说明负载很高，可能是cpu使用率很高，也可能是I/O的压力等等原因。
- 过去1分钟和过去5分钟，平均负载都小于cpu个数，说明负载正常，从整体趋势来看，系统的负载在降低，但是过去1分钟的值大于过去5分钟的值，说明平均负载又在升高。
70-80%这个数字并不是绝对的，毕竟最长的15分钟的数据也只是短期的表现，最推荐的方法，是把系统的平均负载监控起来，然后根据更多的历史数据，判断负载的整体变化趋势。
平均负载与CPU使用率
现实工作中，我们经常容易把平均负载和 CPU 使用率混淆，其实两者还是有区别的。
可能你会疑惑，既然平均负载代表的是活跃进程数，那平均负载高了，不就意味着 CPU 使用率高吗？
我们还是要回到平均负载的含义上来，平均负载是指单位时间内，处于可运行状态和不可中断状态的进程数。所以，它不仅包括了正在使用 CPU 的进程，还包括等待 CPU 和等待 I/O 的进程。
CPU 使用率，是单位时间内 CPU 繁忙情况的统计，跟平均负载并不一定完全对应。比如：
CPU 密集型进程，使用大量 CPU 会导致平均负载升高，此时这两者是一致的；
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；
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。
平均负载案例模拟分析
模拟三个场景分别来看以上三种情况，使用iostat、mpstat、pidstat 等工具，找出平均负载升高的根源。
- 机器配置：4cpu，16G内存，centos
- 安装 stress 和 sysstat 工具包，yum install stress sysstat -y
stress 是一个 Linux 系统压力测试工具
stress语法格式：
stress <options> 常用选项：
-c, --cpu N 产生 N 个进程，每个进程都反复不停的计算随机数的平方根
-i, --io N 产生 N 个进程，每个进程反复调用 sync() 将内存上的内容写到硬盘上
-m, --vm N 产生 N 个进程，每个进程不断分配和释放内存
--vm-bytes B 指定分配内存的大小
--vm-stride B 不断的给部分内存赋值，让 COW(Copy On Write)发生
--vm-hang N 指示每个消耗内存的进程在分配到内存后转入睡眠状态 N 秒，然后释放内存，一直重复执行这个过程
--vm-keep 一直占用内存，区别于不断的释放和重新分配(默认是不断释放并重新分配内存)
-d, --hadd N 产生 N 个不断执行 write 和 unlink 函数的进程(创建文件，写入内容，删除文件)
--hadd-bytes B 指定文件大小
-t, --timeout N 在 N 秒后结束程序
--backoff N 等待N微妙后开始运行
-q, --quiet 程序在运行的过程中不输出信息
-n, --dry-run 输出程序会做什么而并不实际执行相关的操作
--version 显示版本号
-v, --verbose 显示详细的信息
sysstat 包含了常用的 Linux 性能工具，用来监控和分析系统的性能，主要包括：
iostat 工具提供CPU使用率及硬盘吞吐效率的数据； #比较核心的工具
mpstat 工具提供单个处理器或多个处理器相关数据；
pidstat: 关于运行中的进程/任务、CPU、内存等的统计信息
sar 工具负责收集、报告并存储系统活跃的信息； #统计数据的核心工具
sa1 工具负责收集并存储每天系统动态信息到一个二进制的文件中。它是通过计划任务工具cron来运行，是为sadc所设计的程序前端程序；
sa2工具负责把每天的系统活跃性息写入总结性的报告中。它是为sar所设计的前端 ，要通过cron来调用
sadc 是系统动态数据收集工具，收集的数据被写一个二进制的文件中，它被用作sar工具的后端；
sadf 显示被sar通过多种格式收集的数据；
nfsiostat: NFS（Network File System）的I/O统计信息。
cifsiostat: CIFS(Common Internet File System)的统计信息。
每个场景都需要开三个终端，登录到同一台 Linux 机器中，使用uptime看一下测试前的平均负载：
[root@123~]# uptime
16:11:04 up 150 days, 22:42, 3 users, load average: 0.06, 0.03, 0.00
场景一：CPU 密集型进程
首先，在第一个终端运行 stress 命令，模拟一个 CPU 使用率 100% 的场景：
#产生1个进程反复不停的计算随机数的平方根，300秒后停止
[root@123 ~]# stress -c 1 -t 300
接着，在第二个终端运行watch -d uptime查看平均负载的变化情况：
# -d 参数表示高亮显示变化的区域
Every 2.0s: uptime
16:26:55 up 150 days, 22:58, 3 users, load average: 1.05, 0.76, 0.40
可以看到，1 分钟的平均负载会慢慢增加到 1.00出头
最后，在第三个终端运行mpstat查看 CPU 使用率的变化情况：
mpstat --help
用法: mpstat [ 选项 ] [ <时间间隔> [ <次数> ] ]
选项：
[ -I { SUM | CPU | SCPU | ALL } ] [ -N { <node_list> | ALL } ]
[ --dec={ 0 | 1 | 2 } ] [ -o JSON ] [ -P { <CPU_列表> | ALL } ] #-P ALL 表示监控所有CPU，间隔5秒后输出一组数据，总计5组
[root@123~]# mpstat -P ALL 5 5 04:25:28 PM CPU %usr %nice %sys %iowait %irq %soft %steal %guest %idle
04:25:33 PM all 25.11 0.00 0.20 0.35 0.00 0.00 0.00 0.00 74.34
04:25:33 PM 0 0.40 0.00 0.20 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 99.40
04:25:33 PM 1 100.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
04:25:33 PM 2 0.00 0.00 0.60 1.60 0.00 0.00 0.00 0.00 97.80
04:25:33 PM 3 0.00 0.00 0.20 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 99.80 04:25:33 PM CPU %usr %nice %sys %iowait %irq %soft %steal %guest %idle
04:25:38 PM all 25.13 0.00 0.15 0.40 0.00 0.00 0.00 0.00 74.32
04:25:38 PM 0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00
04:25:38 PM 1 100.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
04:25:38 PM 2 0.20 0.00 0.40 1.41 0.00 0.00 0.00 0.00 97.99
04:25:38 PM 3 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00
可以看到，正好有一个 CPU 的使用率为 100%，但它的 iowait 只有 0。这说明，平均负载的升高正是由于 CPU 使用率为 100%
那么，到底是哪个进程导致了 CPU 使用率为 100% 呢？可以使用 pidstat 来查询：
pidstat --help
用法：pidstat [ 选项 ] [ <时间间隔> [ <计数> ] ] [ -e <程序> <参数> ]
选项：
[ -d ] [ -H ] [ -h ] [ -I ] [ -l ] [ -R ] [ -r ] [ -s ] [ -t ] [ -U [ <用户名> ] ]
[ -u ] [ -V ] [ -v ] [ -w ] [ -C <命令> ] [ -G <进程名> ]
[ -p { <pid> [,...] | SELF | ALL } ] [ -T { TASK | CHILD | ALL } ]
[ --dec={ 0 | 1 | 2 } ] [ --human ]
常用选项解释：
-u：默认的参数，显示各个进程的cpu使用统计
-r：显示各个进程的内存使用统计
-d：显示各个进程的IO使用情况
-p：指定进程号
-w：显示每个进程的上下文切换情况 #间隔5秒输出一组数据，总计5组
[root@123 ~]# pidstat -u 5 5 04:26:17 PM PID %usr %system %guest %CPU CPU Command
04:26:22 PM 2464 0.20 0.00 0.00 0.20 3 netdata
04:26:22 PM 2677 0.20 0.00 0.00 0.20 0 python
04:26:22 PM 26629 0.00 0.40 0.00 0.40 2 apps.plugin
04:26:22 PM 28735 100.00 0.00 0.00 100.00 3 stress 04:26:22 PM PID %usr %system %guest %CPU CPU Command
04:26:27 PM 2464 0.20 0.00 0.00 0.20 3 netdata
04:26:27 PM 26629 0.20 0.20 0.00 0.40 2 apps.plugin
04:26:27 PM 28735 100.00 0.00 0.00 100.00 3 stress
从这里可以明显看到，stress进程的CPU使用率为100%。
场景二：I/O 密集型进程
首先还是运行 stress 命令，但这次模拟 I/O 压力，即不停地执行 sync：
# 产生1个进程，反复调用 sync() 将内存上的内容写到硬盘上，300秒后结束
[root@123~]# stress -i 1 -t 300
还是在第二个终端运行watch -d uptime查看平均负载的变化情况：
17:14:02 up 150 days, 23:45, 4 users, load average: 1.52, 1.68, 0.80
可以看到，平均负载再次上升
然后，第三个终端运行mpstat查看 CPU 使用率的变化情况：
#显示所有CPU的指标，间隔5秒输出一组数据，持续输出
[root@123 ~]# mpstat -P ALL 5
05:08:10 PM CPU %usr %nice %sys %iowait %irq %soft %steal %guest %idle
05:08:15 PM all 0.15 0.00 0.15 0.20 0.00 0.00 0.00 0.00 99.50
05:08:15 PM 0 0.20 0.00 0.20 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 99.60
05:08:15 PM 1 0.20 0.00 0.40 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 99.40
05:08:15 PM 2 0.20 0.00 0.00 1.00 0.00 0.00 0.00 0.00 98.80
05:08:15 PM 3 0.20 0.00 0.20 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 99.60 05:08:15 PM CPU %usr %nice %sys %iowait %irq %soft %steal %guest %idle
05:08:20 PM all 0.15 0.00 0.20 10.67 0.00 0.00 0.00 0.00 88.98
05:08:20 PM 0 0.20 0.00 0.00 14.63 0.00 0.00 0.00 0.00 85.17
05:08:20 PM 1 0.00 0.00 0.40 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 99.60
05:08:20 PM 2 0.00 0.00 0.20 28.11 0.00 0.00 0.00 0.00 71.69
05:08:20 PM 3 0.20 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 99.80 05:08:20 PM CPU %usr %nice %sys %iowait %irq %soft %steal %guest %idle
05:08:25 PM all 0.15 0.00 0.20 22.19 0.00 0.00 0.00 0.00 77.45
05:08:25 PM 0 0.20 0.00 0.20 29.46 0.00 0.00 0.00 0.00 70.14
05:08:25 PM 1 0.20 0.00 0.40 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 99.40
05:08:25 PM 2 0.20 0.00 0.20 59.44 0.00 0.00 0.00 0.00 40.16
05:08:25 PM 3 0.20 0.00 0.20 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 99.60
可以发现，系统CPU使用率很低，而 iowait很高，其中一个高达 59.44%，这说明平均负载的升高是由于 iowait 的升高。
是哪个进程导致iowait这么高？
#pidstat -d：显示各个进程的IO使用情况
[root@123 ~]# pidstat -d 3 3 05:12:56 PM PID kB_rd/s kB_wr/s kB_ccwr/s Command
05:12:59 PM 701 0.00 68.00 0.00 jbd2/dm-0-8
05:12:59 PM 1518 0.00 292.00 0.00 flush-253:0
05:12:59 PM 1968 0.00 28.00 0.00 java 05:12:59 PM PID kB_rd/s kB_wr/s kB_ccwr/s Command
05:13:02 PM 701 0.00 80.00 0.00 jbd2/dm-0-8
05:13:02 PM 1518 0.00 268.00 0.00 flush-253:0
05:13:02 PM 1968 0.00 30.67 0.00 java 05:13:02 PM PID kB_rd/s kB_wr/s kB_ccwr/s Command
05:13:05 PM 701 0.00 80.00 0.00 jbd2/dm-0-8
05:13:05 PM 1518 0.00 286.67 0.00 flush-253:0
05:13:05 PM 1968 0.00 36.00 0.00 java
jbd2/dm-0-8和flush-253:0都是操作系统针对磁盘和文件系统的进程，本质上是stress 进程导致的，因为300秒后当stress结束了，这两个进程也结束了。
场景三：大量进程的场景
当系统中运行进程超出 CPU 运行能力时，就会出现等待 CPU 的进程。
比如，我们还是使用 stress，但这次模拟的是 8 个进程：
[root@123 ~]# stress -c 8 -t 300
由于系统只有 4 个CPU，比 8 个进程要少一半，因而，系统的 CPU 处于严重过载状态，平均负载高达7.90：
11:35:53 up 155 days, 18:07, 4 users, load average: 7.90, 5.51, 3.00
使用mpstat查看cpu使用率
[root@123~]# mpstat -P ALL 3 10 11:30:17 AM CPU %usr %nice %sys %iowait %irq %soft %steal %guest %idle
11:30:20 AM all 99.83 0.00 0.17 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
11:30:20 AM 0 100.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
11:30:20 AM 1 100.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
11:30:20 AM 2 100.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
11:30:20 AM 3 99.67 0.00 0.33 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 11:30:20 AM CPU %usr %nice %sys %iowait %irq %soft %steal %guest %idle
11:30:23 AM all 99.92 0.00 0.08 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
11:30:23 AM 0 100.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
11:30:23 AM 1 99.67 0.00 0.33 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
11:30:23 AM 2 99.67 0.00 0.33 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
11:30:23 AM 3 100.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
可见4个cpu都被打满，再用pidstat看一下进程使用cpu的情况：
[root@123 ~]# pidstat 3 10 11:30:20 AM PID %usr %system %guest %CPU CPU Command
11:30:23 AM 2385 0.33 0.00 0.00 0.33 2 java
11:30:23 AM 2464 0.33 0.33 0.00 0.66 0 netdata
11:30:23 AM 26384 49.67 0.00 0.00 49.67 1 stress
11:30:23 AM 26385 49.67 0.00 0.00 49.67 0 stress
11:30:23 AM 26386 49.01 0.00 0.00 49.01 3 stress
11:30:23 AM 26387 49.67 0.00 0.00 49.67 2 stress
11:30:23 AM 26388 50.66 0.00 0.00 50.66 3 stress
11:30:23 AM 26389 49.67 0.00 0.00 49.67 0 stress
11:30:23 AM 26390 49.67 0.00 0.00 49.67 1 stress
11:30:23 AM 26391 49.67 0.00 0.00 49.67 2 stress 11:30:23 AM PID %usr %system %guest %CPU CPU Command
11:30:26 AM 26223 0.33 0.00 0.00 0.33 3 watch
11:30:26 AM 26384 49.67 0.00 0.00 49.67 1 stress
11:30:26 AM 26385 50.00 0.00 0.00 50.00 0 stress
11:30:26 AM 26386 50.00 0.00 0.00 50.00 3 stress
11:30:26 AM 26387 50.00 0.00 0.00 50.00 2 stress
11:30:26 AM 26388 49.67 0.00 0.00 49.67 3 stress
11:30:26 AM 26389 50.00 0.00 0.00 50.00 0 stress
11:30:26 AM 26390 50.00 0.00 0.00 50.00 1 stress
11:30:26 AM 26391 50.00 0.00 0.00 50.00 2 stress
11:30:26 AM 26524 0.00 0.33 0.00 0.33 2 pidstat
可以看出，8 个stress进程在争抢 4 个 CPU，每个进程都占据着0.5个cpu，同时等待 CPU 的时间也是 50%。这些超出 CPU 计算能力的进程，最终导致 CPU 过载。
小结
分析完这三个案例，归纳一下平均负载的理解。
平均负载提供了一个快速查看系统整体性能的手段，反映了整体的负载情况。但只看平均负载本身，我们并不能直接发现，到底是哪里出现了瓶颈。所以，在理解平均负载时，也要注意：
平均负载高有可能是 CPU 密集型进程导致的；
平均负载高并不一定代表 CPU 使用率高，还有可能是 I/O 更繁忙了；
当发现负载高的时候，你可以使用 mpstat、pidstat 等工具，辅助分析负载的来源。
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