Linux CPU使用率

在Linux下面，能夠經過top命令看到CPU的負載狀況，其輸出大概以下（只摘錄CPU部分）：

top - 01:24:41 up 6 min,  2 users,  load average: 0.00, 0.03, 0.00
%Cpu(s):  2.5 us,  1.8 sy,  3.1 ni, 90.5 id,  1.7 wa,  0.0 hi,  0.4 si,  0.0 st

這裏的load average以及縮寫的us、sy、ni、id、wa、hi、si、st都是些什麼意思呢？這些值在一個什麼樣的區間比較合理呢？若是值超過了合理區間，應該怎麼處理呢？這篇未來聊聊這些問題。

load average

load average表明CPU的平均負載值，上面示例中的load average: 0.00, 0.03, 0.00分別表示當前CPU在1分鐘、5分鐘和15分鐘內的平均負載。這些負載值是怎麼來的呢？

這些數據來自於文件/proc/loadavg，內核會負責統計出這些數據。

top和uptime命令顯示的內容就來自於這個文件，那麼這裏所謂的平均負載是個什麼概念？ 根據proc的幫助文件可知，這裏的值就是單位時間內處於運行狀態以及等待disk I/O狀態的平均job數量。這裏的運行狀態和job都是內核的概念，這裏簡單澄清一下：

• 對內核來講，進程和線程都是job

• job處於運行狀態指job處於內核的運行隊列中，正在或等待被CPU調度（用戶空間的進程正在運行不表明須要被CPU調度，有可能在等待I/O，也有可能在sleep等等）

由於某一刻（瞬間）等待調度的進程多少並不能反映系統的總體壓力，因此這裏取了1,5和15分鐘的平均值。

那麼這個值的大小反映系統什麼樣的一個壓力狀態呢？這裏以單核CPU爲例

• 小於1： 說明平均每次只有不到一個job在忙，對於單核的CPU來講，徹底能處理過來

• 等於1： 說明平均每次恰好有一個job在忙，對於單核的CPU來講，恰好能處理過來

• 大於1： 說明平均每次有多於一個job在忙，對於單核的CPU來講，因爲一次只能處理一個任務，因此確定有任務在等待，說明系統負載較大，調度不過來，有job須要等待

從上面能夠看出，一旦大於1，就說明job得不到及時調度，系統性能將受影響。對於多核來講，因爲一次能夠調度多個job，因此大於1不必定有問題，以4核CPU爲例，該值大於4才說明CPU忙不過來。

那這個平均負載保持在多少比較合適呢？其實沒有一個標準值，但通常的作法是預留必定的空間來應對系統負載的波動，建議控制在「0.7*核數」之內，好比4核，那麼0.7*4=2.8比較合適，一旦超過這個值，須要分析緣由並着手解決。

%Cpu(s)

load average經過統計等待運行的平均job數量來推斷CPU的繁忙程度，而%Cpu(s)則直接統計CPU處於不一樣狀態的時間，比上面的load average更直觀，因此在實際上也被使用的更多。

整體來講，CPU會處於下面三種狀態中的一種：

• Idle： 處於空閒狀態，沒有任務須要調度

• User space： 正在運行user space的代碼（處於用戶態）

• Kernel： 正在運行內核的代碼（處於內核態）

對上面這三種狀態，內核又進一步細分爲不少狀態，這裏以上面輸出的8種狀態爲例進行說明：

• 2.5 us ： 表示CPU有2.5%的時間在運行用戶態代碼（即在運行用戶態程序）

• 1.8 sy ： 表示CPU有1.8%的時間在運行內核態代碼。內核負責管理系統的全部進程和硬件資源，全部的內核代碼都運行在內核態，當用戶態進程須要訪問硬件資源時，如分配內存，讀寫I/O等，也須要經過系統調用進入內核態運行內核代碼。%sy高說明內核佔用太多資源，或者用戶進程發起了太多的系統調用。

• 3.1 ni ： 表示CPU有3.1%的時間在運行niceness不爲0的進程代碼。默認狀況下，進程的niceness值都爲0，但能夠經過命令nice來啓動一個進程並指定其niceness值，niceness的取值範圍是-20到19，值越小，表示優先級越高，越優先被內核調度。

• 90.5 id ： 表示CPU有90.5%的時間處於空閒狀態

• 1.7 wa ： 表示CPU有1.7%的時間處於I/O等待狀態。一般狀況下，當CPU遇到一個I/O操做時，會先觸發I/O操做，而後去幹別的，等I/O操做完成後，CPU再接着繼續工做，但若是這時系統比較空閒，CPU沒有別的事情能夠作，那麼CPU將處於等待狀態，這種處於等待狀態的時間將會被統計進I/O wait，也就是說CPU處於I/O wait狀態即CPU閒着沒事幹在等I/O操做結束，和idle幾乎是同樣的。這個值高說明CPU閒且I/O操做多或者I/O操做慢，但低並不能說明沒有I/O操做或者I/O操做快，有多是CPU在忙別的，因此這只是一個參考值，須要和其餘的統計項一塊兒來分析。

• 0.0 hi & 0.4 si ：　這兩個值反映了CPU有多少時間花在了中斷處理上，hi（hardware interrupts）是硬件中斷，si(softirqs)是軟件中斷。硬件中斷通常由I/O設備引發，如網卡、磁盤等，發生硬件中斷後，CPU須要當即處理，當硬件中斷中須要處理的事情不少時，內核會生成相應的軟中斷，而後將耗時且不須要當即處理完成的操做放在軟中斷中執行，好比當網卡收到網絡包時，須要CPU當即把數據拷貝到內存中去，由於網卡自帶的緩存較小，若是不及時處理的話後面的數據包就進不來，致使丟包，當數據拷貝到內存中以後，就不須要那麼着急的處理了，這時候能夠將處理數據包（協議棧）的代碼放在軟中斷中執行。本人不是內核專家，關於軟中斷的部分請參考Understanding the Linux Kernel, 3rd Edition

• 0.0 st　： %st和虛擬機有關，當系統運行在虛擬機中時，當前虛擬機就會和宿主機以及其它的虛擬機共享CPU，%st就表示當前虛擬機在等待CPU爲它服務的時間。該值越大，表示物理CPU被宿主機和其它虛擬機佔用的時間越長，致使當前虛擬機得不到充足的CPU資源。若是%st長時間大於0，說明CPU資源得不到知足，這時能夠考慮將虛擬機移到其它機器上，或者減小當前機器運行的虛擬機數量。

上面這些統計項的總和等於100%，除了%idle以外，其它的任何一項數值太高都表明系統有問題，須要具體問題具體分析。

問題處理

• %us太高 ： 表示有用戶態進程佔用了過多的CPU，經過top命令能夠很清楚的看到是哪一個進程，若是這不是預期的行爲，能夠經過kill命令殺死相應的進程或者重啓它

• %sy太高 ： 若是隻是偶爾太高的話，不用擔憂，但若是是持續走高的話，就須要重視，有多是某些進程的系統調用太頻繁，好比進程不停的往控制檯輸出日誌，但若是用戶態的進程都沒有問題，那多是內核裏面的代碼出現了問題，尤爲是代碼寫的很差的驅動模塊

• %ni太高 ： 說明有人用nice程序運行了比較耗CPU的進程。若是niceness值大於0的話，就沒什麼好擔憂的，由於它的優先級比默認優先級要低，不會影響CPU性能，但最好仍是確認一下該進程不會搶佔系統的其它資源，如內存、磁盤I/O等，避免對系統總體性能形成影響。若是niceness值小於0的話，表示該進程優先級高且佔用CPU資源多，須要確保該進程佔用的CPU資源是符合預期的，若是不是，能夠用top命令把它找出來並kill掉或者重啓。

• %wa太高 ： 意味着系統中有進程在作大量的I/O操做，或者在讀寫速度比較慢的I/O設備，好比頻繁的讀寫磁盤，這時能夠經過iotop命令來查看是哪些進程佔I/O，而後再針對不一樣的進程作相應的處理；還有一種狀況就是系統在頻繁的使用交換分區，這時須要解決的就是內存的問題，而不是I/O的問題。

• %hi或者%si太高 ： %hi太高通常是硬件出問題了，%si太高通常是內核裏面的代碼出問題了

• %st 太高 ： 正如上面介紹介紹的那樣，%st太高表示當前虛擬機得不到足夠的CPU資源。這時能夠考慮將當前虛擬機搬遷到其它的主機上，或者想辦法下降當前主機的負載，好比關掉一些其它的虛擬機。

結束語

load average和%Cpu(s)以不一樣的方式給出了當前主機的CPU負載狀況，經過%Cpu(s)咱們能夠看到系統當前的實時負載，如今不少監控系統每隔一段時間都會採集一次%Cpu(s)，而後存儲起來以圖形的方式展現出來，這樣就能很直觀的看到CPU負載的變化，固然若是沒有這樣的監控系統的話，經過load average也能大概的知道最近一段時間內的平均負載（最長15分鐘）。

參考

• Understanding the Load Average on Linux and Other Unix-like Systems

• Understanding Linux CPU Load

• Understanding Linux CPU stats