系统性能之cpu 篇

Posted 2023-02-15

1.平均负载是什么

概念： 平均负载指单位时间内，系统处于可运行状态和不可中断的平均进程数，和cpu使用率没有直接关系。

所谓可运行状态的进程，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 -aux 命令看到的STAT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，也称为 Disk Sleep）的进程。

2.平均负载为多少是合理的

系统uptime 看到的结果里，三个时间段的平均负载，多大的时候说明系统负载高，什么时候说明系统负载低。最理性的情况是等于cpu 逻辑个数。判断系统有几个cpu，通过top命令或者文件/proc/cpuinfo获取。

# grep model name /proc/cpuinfo | wc -l

4

#uptime

load average: 0.00, 0.01, 0.05

系统负载3个值该参考哪一个呢？

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。

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。

假设我们在一个单 CPU 系统上看到平均负载为 1.73，0.60，7.98，那么说明在过去 1 分钟内，系统有 73% 的超载，而在 15 分钟内，有 698% 的超载，从整体趋势来看，系统的负载在降低。

合理的平均负载高于cpu数量70% 就得注意。

3.平均负载案例分析

从上文对平均负载均衡定义内容，这里进程不仅包括正在使用的cpu进程，等待cpu和等待I/0 的进程。

以下会列举3个场景造成cpu负载高的示例分析，包括 cpu密集型进程；I/O等待型进程；大量等待cpu进程调度。

先介绍下分析工具：

stress 是linux 系统压力测试工具

sysstat 包含了常用的 Linux 性能工具，用来监控和分析系统的性能。我们的案例会用到这个包的两个命令 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。

3.1 cpu密集型进程

终端一执行stress命令

$ stress --cpu 1 --timeout 600

终端二运行uptime 查看平均负载情况

# -d 参数表示高亮显示变化的区域

$ watch -d uptime
...,  load average: 1.00, 0.75, 0.39

终端三查看cpu使用率变化情况，发现两cpu中的一cpu使用率达到了100%，说明平均负载升高由于cpu使用率为100%。

# -P ALL 表示监控所有CPU，后面数字5表示间隔5秒后输出一组数据
$ mpstat -P ALL 5
Linux 4.15.0 (ubuntu) 09/22/18 _x86_64_ (2 CPU)
13:30:06     CPU    %usr   %nice    %sys %iowait    %irq   %soft  %steal  %guest  %gnice   %idle
13:30:11     all   50.05    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00   49.95
13:30:11       0    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00  100.00
13:30:11       1  100.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00

使用pidstat 查询是哪个进程造成cpu 使用率为100%？ 可以查看到是stress 进程造成的，继而做后续处理。

间隔5秒后输出一组数据
$ pidstat -u 5 1
13:37:07      UID       PID    %usr %system  %guest   %wait    %CPU   CPU  Command
13:37:12        0      2962  100.00    0.00    0.00    0.00  100.00     1  stress

3.2 I/O等待型进程

终端一执行stress命令

$ stress - 1 --timeout 600

终端二运行uptime 查看平均负载情况

# -d 参数表示高亮显示变化的区域

$ watch -d uptime
...,  load average: 1.00, 0.75, 0.39

终端三查看cpu使用率变化情况，可以看到一cpu%iowait 达到67.53.说明平均负载的升高跟iowait升高有关。

# 显示所有CPU的指标，并在间隔5秒输出一组数据
$ mpstat -P ALL 5 1
Linux 4.15.0 (ubuntu)     09/22/18     _x86_64_    (2 CPU)
13:41:28     CPU    %usr   %nice    %sys %iowait    %irq   %soft  %steal  %guest  %gnice   %idle
13:41:33     all    0.21    0.00   12.07   32.67    0.00    0.21    0.00    0.00    0.00   54.84
13:41:33       0    0.43    0.00   23.87   67.53    0.00    0.43    0.00    0.00    0.00    7.74
13:41:33       1    0.00    0.00    0.81    0.20    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00   98.99

使用pidstat 查询是哪个进程造成iowait高？ 可以查看到%wait 为3.99,stress 进程造成的，继而做后续处理。

# 间隔5秒后输出一组数据，-u表示CPU指标
$ pidstat -u 5 1
Linux 4.15.0 (ubuntu)     09/22/18     _x86_64_    (2 CPU)
13:42:08      UID       PID    %usr %system  %guest   %wait    %CPU   CPU  Command
13:42:13        0       104    0.00    3.39    0.00    0.00    3.39     1  kworker/1:1H
13:42:13        0       109    0.00    0.40    0.00    0.00    0.40     0  kworker/0:1H
13:42:13        0      2997    2.00   35.53    0.00    3.99   37.52     1  stress
13:42:13        0      3057    0.00    0.40    0.00    0.00    0.40     0  pidstat

3.3 大量等待cpu进程

终端一执行stress命令

$ stress -c 8 --timeout 600

系统只有2c，模拟8个进程，因此cpu会出现严重的过载情况，平均负载达到7.9 

$ uptime
...,  load average: 7.97, 5.93, 3.02

使用pidstat 查询进程情况 ，可以看到8个stress在争抢2cpu,没给进程等待cpu时间高代75%，超出cpu计算能力。分析是stress 进程导致的，继而做后续处理。

间隔5秒后输出一组数据
$ pidstat -u 5 1
14:23:25      UID       PID    %usr %system  %guest   %wait    %CPU   CPU  Command
14:23:30        0      3190   25.00    0.00    0.00   74.80   25.00     0  stress
14:23:30        0      3191   25.00    0.00    0.00   75.20   25.00     0  stress
14:23:30        0      3192   25.00    0.00    0.00   74.80   25.00     1  stress
14:23:30        0      3193   25.00    0.00    0.00   75.00   25.00     1  stress
14:23:30        0      3194   24.80    0.00    0.00   74.60   24.80     0  stress
14:23:30        0      3195   24.80    0.00    0.00   75.00   24.80     0  stress
14:23:30        0      3196   24.80    0.00    0.00   74.60   24.80     1  stress
14:23:30        0      3197   24.80    0.00    0.00   74.80   24.80     1  stress
14:23:30        0      3200    0.00    0.20    0.00    0.20    0.20     0  pidstat