CPU 使用率

CPU 使用率就是 CPU 非空闲态运行的时间占比，它反映了 CPU 的繁忙程度。比如，单核 CPU 1s 内非空闲态运行时间为 0.8s，那么它的 CPU 使用率就是 80%；双核 CPU 1s 内非空闲态运行时间分别为 0.4s 和 0.6s，那么，总体 CPU 使用率就是 (0.4s + 0.6s) / (1s * 2) = 50%，其中 2 表示 CPU 核数，多核 CPU 同理。

在 Linux 系统下，使用 top 命令查看 CPU 使用情况，可以得到如下信息：

top - 13:58:53 up 280 days, 22:57,  3 users,  load average: 1.22, 1.29, 1.18

这些字段显示：
· 当前时间
· 系统已运行的时间
· 当前登录用户的数量
· 相应最近1、5和15分钟内的平均负载。

Tasks: 161 total,   1 running, 160 sleeping,   0 stopped,   0 zombie

Tasks — 任务（进程），系统现在共有161个进程，其中处于运行中的有1个，160个在休眠（sleep），stopped状态的有0个，zombie状态（僵尸）的有0个

%Cpu(s):  3.6 us, 11.4 sy,  0.0 ni, 84.9 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st

这里显示不同模式下所占cpu时间百分比，这些不同的cpu时间表示：

us(user)：表示 CPU 在用户态运行的时间百分比，通常用户态 CPU 高表示有应用程序比较繁忙。典型的用户态程序包括：数据库、Web 服务器等。
sy(sys)：表示 CPU 在内核态运行的时间百分比（不包括中断），通常内核态 CPU 越低越好，否则表示系统存在某些瓶颈。
ni(nice)：表示用 nice 修正进程优先级的用户态进程执行的 CPU 时间。nice 是一个进程优先级的修正值，如果进程通过它修改了优先级，则会单独统计 CPU 开销。
id(idle)：表示 CPU 处于空闲态的时间占比，此时，CPU 会执行一个特定的虚拟进程，名为 System Idle Process。
wa(iowait)：表示 CPU 在等待 I/O 操作完成所花费的时间，通常该指标越低越好，否则表示 I/O 存在瓶颈，可以用 iostat 等命令做进一步分析。
hi(hardirq)：表示 CPU 处理硬中断所花费的时间。硬中断是由外设硬件（如键盘控制器、硬件传感器等）发出的，需要有中断控制器参与，特点是快速执行。
si(softirq)：表示 CPU 处理软中断所花费的时间。软中断是由软件程序（如网络收发、定时调度等）发出的中断信号，特点是延迟执行。
st(steal)：表示 CPU 被其他虚拟机占用的时间，仅出现在多虚拟机场景。如果该指标过高，可以检查下宿主机或其他虚拟机是否异常。

由于 CPU 有多种非空闲态，因此，CPU 使用率计算公式可以总结为：CPU 使用率 = (1 - 空闲态运行时间/总运行时间) * 100%。

• 根据经验法则， 建议生产系统的 CPU 总使用率不要超过 70%。

平均负载

平均负载是指单位时间内，系统处于运行状态、等待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。

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 命令看到的，处于 R 状态（Running 或 Runnable）的进程。

不可中断进程
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。

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。

在 Linux 系统下，使用 top 命令查看平均负载，可以得到如下信息：
load average: 1.09, 1.12, 1.52

这 3 个数字分别表示 1分钟、5分钟、15分钟内系统的平均负载。该值越小，表示系统工作量越少，负荷越低；反之负荷越高。

平均负载为多少更合理？

理想情况下，每个 CPU 应该满负荷工作，并且没有等待进程，此时，平均负载 = CPU 逻辑核数。

但是，在实际生产系统中，不建议系统满负荷运行。

• 通用的经验法则是：平均负载 = 0.7 * CPU 逻辑核数。

当平均负载持续大于 0.7 * CPU 逻辑核数，就需要开始调查原因，防止系统恶化； 当平均负载持续大于 1.0 * CPU
逻辑核数，必须寻找解决办法，降低平均负载； 当平均负载持续大于 3.0 * CPU 逻辑核数，系统变得
非常慢，甚至很难从命令行操作它来试图找出问题的原因，因此修复问题需要的时间会比较长，风险是系统会更饱和并且很有可能会崩溃；
当平均负载持续大于 5.0 * CPU 逻辑核数，表明系统已出现严重问题，长时间未响应，或者接近死机。

除了关注平均负载值本身，我们也应关注平均负载的变化趋势，这包含两层含义。一是 load1、load5、load15 之间的变化趋势；二是历史的变化趋势。

当 load1、load5、load15 三个值非常接近，表明短期内系统负载比较平稳。
此时，应该将其与昨天或上周同时段的历史负载进行比对，观察是否有显著上升。 当 load1 远小于 load5 或 load15
时，表明系统最近 1 分钟的负载在降低，而过去 5 分钟或 15 分钟的平均负载却很高。 当 load1 远大于 load5 或
load15 时，表明系统负载在急剧升高，如果不是临时性抖动，而是持续升高，特别是当 load5 都已超过 0.7 * CPU 逻辑核数
时，应调查原因，降低系统负载。

CPU 使用率与平均负载的关系

CPU 使用率是单位时间内 CPU 繁忙程度的统计。而平均负载不仅包括正在使用 CPU 的进程，还包括等待 CPU 或 I/O 的进程。因此，两者不能等同，有两种常见的场景如下所述：

• CPU 密集型应用，大量进程在等待或使用 CPU，此时 CPU 使用率与平均负载呈正相关状态。
• I/O 密集型应用，大量进程在等待I/O，此时平均负载会升高，但 CPU 使用率不一定很高。

案例分析

机器配置：8CPU，8GB 内存
安装 stress
初始系统资源使用情况

场景一：CPU 密集型
我们在一个终端运行 stress 命令，模拟3个 CPU 使用率 100% 的场景

stress -c 3 -t 600

在第二个终端top 查看结果：

场景二：I/O 密集型
运行 stress 命令，但这次模拟 I/O 压力，即不停地执行 sync

stress --io 20 -t 100

在第二个终端top 查看结果：

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 繁忙了；