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# 02 | 基础篇：到底应该怎么理解“平均负载”？
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你好，我是倪朋飞。
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每次发现系统变慢时，我们通常做的第一件事，就是执行top或者uptime命令，来了解系统的负载情况。比如像下面这样，我在命令行里输入了uptime命令，系统也随即给出了结果。
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```
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$ uptime
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02:34:03 up 2 days, 20:14, 1 user, load average: 0.63, 0.83, 0.88
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```
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但我想问的是，你真的知道这里每列输出的含义吗？
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我相信你对前面的几列比较熟悉，它们分别是当前时间、系统运行时间以及正在登录用户数。
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```
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02:34:03 //当前时间
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up 2 days, 20:14 //系统运行时间
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1 user //正在登录用户数
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```
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而最后三个数字呢，依次则是过去1分钟、5分钟、15分钟的平均负载（Load Average）。
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**平均负载**？这个词对很多人来说，可能既熟悉又陌生，我们每天的工作中，也都会提到这个词，但你真正理解它背后的含义吗？如果你们团队来了一个实习生，他揪住你不放，你能给他讲清楚什么是平均负载吗？
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其实，6年前，我就遇到过这样的一个场景。公司一个实习生一直追问我，什么是平均负载，我支支吾吾半天，最后也没能解释明白。明明总看到也总会用到，怎么就说不明白呢？后来我静下来想想，其实还是自己的功底不够。
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于是，这几年，我遇到问题，特别是基础问题，都会多问自己几个“为什么”，以求能够彻底理解现象背后的本质原理，用起来更灵活，也更有底气。
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今天，我就带你来学习下，如何观测和理解这个最常见、也是最重要的系统指标。
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我猜一定有人会说，平均负载不就是单位时间内的 CPU 使用率吗？上面的0.63，就代表CPU使用率是63%。其实并不是这样，如果你方便的话，可以通过执行man uptime命令，来了解平均负载的详细解释。
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简单来说，平均负载是指单位时间内，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。这里我先解释下，可运行状态和不可中断状态这俩词儿。
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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。
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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。
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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。
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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。
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因此，你可以简单理解为，平均负载其实就是平均活跃进程数。平均活跃进程数，直观上的理解就是单位时间内的活跃进程数，但它实际上是活跃进程数的指数衰减平均值。这个“指数衰减平均”的详细含义你不用计较，这只是系统的一种更快速的计算方式，你把它直接当成活跃进程数的平均值也没问题。
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既然平均的是活跃进程数，那么最理想的，就是每个CPU上都刚好运行着一个进程，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？
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* 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。
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* 在4个CPU的系统上，意味着CPU有50%的空闲。
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* 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。
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## 平均负载为多少时合理
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讲完了什么是平均负载，现在我们再回到最开始的例子，不知道你能否判断出，在 uptime 命令的结果里，那三个时间段的平均负载数，多大的时候能说明系统负载高？或是多小的时候就能说明系统负载很低呢？
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我们知道，平均负载最理想的情况是等于 CPU个数。所以在评判平均负载时，**首先你要知道系统有几个 CPU**，这可以通过 top 命令或者从文件 /proc/cpuinfo 中读取，比如：
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# 关于grep和wc的用法请查询它们的手册或者网络搜索
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$ grep 'model name' /proc/cpuinfo | wc -l
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2
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```
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有了CPU 个数，我们就可以判断出，当平均负载比 CPU 个数还大的时候，系统已经出现了过载。
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不过，且慢，新的问题又来了。我们在例子中可以看到，平均负载有三个数值，到底该参考哪一个呢？
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实际上，都要看。三个不同时间间隔的平均值，其实给我们提供了，分析**系统负载趋势**的数据来源，让我们能更全面、更立体地理解目前的负载状况。
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打个比方，就像初秋时北京的天气，如果只看中午的温度，你可能以为还在7月份的大夏天呢。但如果你结合了早上、中午、晚上三个时间点的温度来看，基本就可以全方位了解这一天的天气情况了。
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同样的，前面说到的CPU的三个负载时间段也是这个道理。
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* 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。
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* 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。
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* 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。
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这里我再举个例子，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。
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那么，在实际生产环境中，平均负载多高时，需要我们重点关注呢？
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在我看来，**当平均负载高于 CPU 数量70%的时候**，你就应该分析排查负载高的问题了。一旦负载过高，就可能导致进程响应变慢，进而影响服务的正常功能。
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但70%这个数字并不是绝对的，最推荐的方法，还是把系统的平均负载监控起来，然后根据更多的历史数据，判断负载的变化趋势。当发现负载有明显升高趋势时，比如说负载翻倍了，你再去做分析和调查。
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## 平均负载与CPU使用率
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现实工作中，我们经常容易把平均负载和 CPU 使用率混淆，所以在这里，我也做一个区分。
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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？
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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。
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而 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：
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* 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；
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* 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；
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* 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。
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## 平均负载案例分析
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下面，我们以三个示例分别来看这三种情况，并用 iostat、mpstat、pidstat 等工具，找出平均负载升高的根源。
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因为案例分析都是基于机器上的操作，所以不要只是听听、看看就够了，最好还是跟着我实际操作一下。
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### 你的准备
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下面的案例都是基于 Ubuntu 18.04，当然，同样适用于其他 Linux 系统。我使用的案例环境如下所示。
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* 机器配置：2 CPU，8GB 内存。
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* 预先安装 stress 和 sysstat 包，如 apt install stress sysstat。
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在这里，我先简单介绍一下 stress 和 sysstat。
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stress 是一个 Linux 系统压力测试工具，这里我们用作异常进程模拟平均负载升高的场景。
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而 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。
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* 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。
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* 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。
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此外，每个场景都需要你开三个终端，登录到同一台 Linux 机器中。
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实验之前，你先做好上面的准备。如果包的安装有问题，可以先在Google一下自行解决，如果还是解决不了，再来留言区找我，这事儿应该不难。
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另外要注意，下面的所有命令，我们都是默认以 root 用户运行。所以，如果你是用普通用户登陆的系统，一定要先运行 sudo su root 命令切换到 root 用户。
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如果上面的要求都已经完成了，你可以先用 uptime 命令，看一下测试前的平均负载情况：
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```
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$ uptime
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..., load average: 0.11, 0.15, 0.09
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```
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### 场景一：CPU 密集型进程
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首先，我们在第一个终端运行 stress 命令，模拟一个 CPU 使用率 100% 的场景：
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```
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$ stress --cpu 1 --timeout 600
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```
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接着，在第二个终端运行uptime查看平均负载的变化情况：
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```
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# -d 参数表示高亮显示变化的区域
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$ watch -d uptime
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..., load average: 1.00, 0.75, 0.39
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```
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最后，在第三个终端运行mpstat查看 CPU 使用率的变化情况：
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```
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# -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
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$ mpstat -P ALL 5
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Linux 4.15.0 (ubuntu) 09/22/18 _x86_64_ (2 CPU)
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13:30:06 CPU %usr %nice %sys %iowait %irq %soft %steal %guest %gnice %idle
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13:30:11 all 50.05 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 49.95
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||
13:30:11 0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00
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13:30:11 1 100.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
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```
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从终端二中可以看到，1 分钟的平均负载会慢慢增加到 1.00，而从终端三中还可以看到，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% 。
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那么，到底是哪个进程导致了 CPU 使用率为 100% 呢？你可以使用 pidstat 来查询：
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```
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# 间隔5秒后输出一组数据
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$ pidstat -u 5 1
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13:37:07 UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command
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13:37:12 0 2962 100.00 0.00 0.00 0.00 100.00 1 stress
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```
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从这里可以明显看到，stress进程的CPU使用率为100%。
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### 场景二：I/O 密集型进程
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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：
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```
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$ stress -i 1 --timeout 600
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```
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还是在第二个终端运行uptime查看平均负载的变化情况：
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```
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$ watch -d uptime
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..., load average: 1.06, 0.58, 0.37
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```
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然后，第三个终端运行mpstat查看 CPU 使用率的变化情况：
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```
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# 显示所有CPU的指标，并在间隔5秒输出一组数据
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$ mpstat -P ALL 5 1
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Linux 4.15.0 (ubuntu) 09/22/18 _x86_64_ (2 CPU)
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13:41:28 CPU %usr %nice %sys %iowait %irq %soft %steal %guest %gnice %idle
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13:41:33 all 0.21 0.00 12.07 32.67 0.00 0.21 0.00 0.00 0.00 54.84
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13:41:33 0 0.43 0.00 23.87 67.53 0.00 0.43 0.00 0.00 0.00 7.74
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||
13:41:33 1 0.00 0.00 0.81 0.20 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 98.99
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```
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从这里可以看到，1 分钟的平均负载会慢慢增加到 1.06，其中一个 CPU 的系统CPU使用率升高到了 23.87，而 iowait 高达 67.53%。这说明，平均负载的升高是由于 iowait 的升高。
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那么到底是哪个进程，导致 iowait 这么高呢？我们还是用 pidstat 来查询：
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# 间隔5秒后输出一组数据，-u表示CPU指标
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$ pidstat -u 5 1
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Linux 4.15.0 (ubuntu) 09/22/18 _x86_64_ (2 CPU)
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13:42:08 UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command
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13:42:13 0 104 0.00 3.39 0.00 0.00 3.39 1 kworker/1:1H
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13:42:13 0 109 0.00 0.40 0.00 0.00 0.40 0 kworker/0:1H
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13:42:13 0 2997 2.00 35.53 0.00 3.99 37.52 1 stress
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13:42:13 0 3057 0.00 0.40 0.00 0.00 0.40 0 pidstat
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```
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可以发现，还是 stress 进程导致的。
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### 场景三：大量进程的场景
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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。
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比如，我们还是使用 stress，但这次模拟的是 8 个进程：
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```
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$ stress -c 8 --timeout 600
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```
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由于系统只有 2 个CPU，明显比 8 个进程要少得多，因而，系统的 CPU 处于严重过载状态，平均负载高达7.97：
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$ uptime
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..., load average: 7.97, 5.93, 3.02
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接着再运行pidstat来看一下进程的情况：
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```
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# 间隔5秒后输出一组数据
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$ pidstat -u 5 1
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14:23:25 UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command
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14:23:30 0 3190 25.00 0.00 0.00 74.80 25.00 0 stress
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14:23:30 0 3191 25.00 0.00 0.00 75.20 25.00 0 stress
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14:23:30 0 3192 25.00 0.00 0.00 74.80 25.00 1 stress
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14:23:30 0 3193 25.00 0.00 0.00 75.00 25.00 1 stress
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14:23:30 0 3194 24.80 0.00 0.00 74.60 24.80 0 stress
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14:23:30 0 3195 24.80 0.00 0.00 75.00 24.80 0 stress
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14:23:30 0 3196 24.80 0.00 0.00 74.60 24.80 1 stress
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14:23:30 0 3197 24.80 0.00 0.00 74.80 24.80 1 stress
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14:23:30 0 3200 0.00 0.20 0.00 0.20 0.20 0 pidstat
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可以看出，8 个进程在争抢 2 个 CPU，每个进程等待 CPU 的时间（也就是代码块中的 %wait 列）高达 75%。这些超出 CPU 计算能力的进程，最终导致 CPU 过载。
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## 小结
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分析完这三个案例，我再来归纳一下平均负载的理解。
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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：
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* 平均负载高有可能是 CPU 密集型进程导致的；
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* 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；
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* 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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## 思考
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最后，我想邀请你一起来聊聊你所理解的平均负载，当你发现平均负载升高后，又是怎么分析排查的呢？你可以结合我前面的讲解，来总结自己的思考。欢迎在留言区和我讨论。
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