磁盤慢會導(dǎo)致Linux負(fù)載飆升的原因

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 一、CPU利用率和負(fù)載率的區(qū)別

這里要區(qū)別CPU負(fù)載和CPU利用率，它們是不同的兩個概念，但它們的信息可以在同一個top命令中進(jìn)行顯示。CPU利用率顯示的是程序在運(yùn)行期間實(shí)時(shí)占用的CPU百分比，這是對一個時(shí)間段內(nèi)CPU使用狀況的統(tǒng)計(jì)，通過這個指標(biāo)可以看出在某一個時(shí)間段內(nèi)CPU被占用的情況， 如果被占用時(shí)間很高，那么就需要考慮CPU是否已經(jīng)處于超負(fù)荷運(yùn)作。而CPU負(fù)載顯示的是在一段時(shí)間內(nèi)CPU正在處理以及等待CPU處理的進(jìn)程數(shù)之和的統(tǒng)計(jì)信息，也就是CPU使用隊(duì)列的長度的統(tǒng)計(jì)信息。

CPU利用率高并不意味著負(fù)載就一定大，可能這個任務(wù)是一個CPU密集型的。一樣CPU低利用率的情況下是否會有高Load Average的情況產(chǎn)生呢？理解占有時(shí)間和使用時(shí)間就可以知道，當(dāng)CPU分配時(shí)間片以后，是否使用完全取決于使用者，因此完全可能出現(xiàn)低利用率高Load Average的情況。另外IO設(shè)備也可能導(dǎo)致CPU負(fù)載高。

由此來看，僅僅從CPU的使用率來判斷CPU是否處于一種超負(fù)荷的工作狀態(tài)還是不夠的，必須結(jié)合Load Average來全局的看CPU的使用情況。網(wǎng)上有個例子來說明兩者的區(qū)別如下：某公用電話亭，有一個人在打電話，四個人在等待，每人限定使用電話一分鐘，若有人一分鐘之內(nèi)沒有打完電話，只能掛掉電話去排隊(duì)，等待下一輪。電話在這里就相當(dāng)于CPU，而正在或等待打電話的人就相當(dāng)于任務(wù)數(shù)。在電話亭使用過程中，肯定會有人打完電話走掉，有人沒有打完電話而選擇重新排隊(duì)，更會有新增的人在這兒排隊(duì)，這個人數(shù)的變化就相當(dāng)于任務(wù)數(shù)的增減。為了統(tǒng)計(jì)平均負(fù)載情況，我們5秒鐘統(tǒng)計(jì)一次人數(shù)，并在第1、5、15分鐘的時(shí)候?qū)y(tǒng)計(jì)情況取平均值，從而形成第1、5、15分鐘的平均負(fù)載。有的人拿起電話就打，一直打完1分鐘，而有的人可能前三十秒在找電話號碼，或者在猶豫要不要打，后三十秒才真正在打電話。如果把電話看作CPU，人數(shù)看作任務(wù)，我們就說前一個人（任務(wù)）的CPU利用率高，后一個人（任務(wù)）的CPU利用率低。當(dāng)然， CPU并不會在前三十秒工作，后三十秒歇著，CPU是一直在工作。只是說，有的程序涉及到大量的計(jì)算，所以CPU利用率就高，而有的程序牽涉到計(jì)算的部分很少，CPU利用率自然就低。但無論CPU的利用率是高是低，跟后面有多少任務(wù)在排隊(duì)沒有必然關(guān)系。

CPU數(shù)量和CPU核心數(shù)（即內(nèi)核數(shù)）都會影響到CPU負(fù)載，因?yàn)槿蝿?wù)最終是要分配到CPU核心去處理的。兩塊CPU要比一塊CPU好，雙核要比單核好。因此，我們需要記住，除去CPU性能上的差異，CPU負(fù)載是基于內(nèi)核數(shù)來計(jì)算的，即“有多少內(nèi)核，即有多少負(fù)載”，如單核最好不要超過100%，也就是負(fù)載為1.00，如此類推。

Linux里有一個/proc目錄，存放的是當(dāng)前運(yùn)行系統(tǒng)的虛擬映射，其中有一個文件為cpuinfo，這個文件里存放著CPU的信息。/proc/cpuinfo文件按邏輯CPU而非真實(shí)CPU分段落顯示信息，每個邏輯CPU的信息占用一個段落，第一個邏輯CPU標(biāo)識從0開始。

$ cat /proc/cpuinfo 
processor       : 0
vendor_id       : GenuineIntel
cpu family      : 6
model           : 63
model name      : Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2630 v3 @ 2.40GHz
stepping        : 2
microcode       : 0x36
cpu MHz         : 2399.998
cache size      : 20480 KB
physical id     : 0
siblings        : 2
core id         : 0
cpu cores       : 2
apicid          : 0
initial apicid  : 0
fpu             : yes
fpu_exception   : yes
cpuid level     : 15
wp              : yes
flags           : fpu vme de pse tsc msr pae mce cx8 apic sep mtrr ......
bogomips        : 4799.99
clflush size    : 64
cache_alignment : 64
address sizes   : 42 bits physical, 48 bits virtual
power management:

要理解該文件中的CPU信息，有幾個相關(guān)的概念要知道，如：processor表示邏輯CPU的標(biāo)識、model name表示真實(shí)CPU的型號信息、physical id表示真實(shí)CPU和標(biāo)識、cpu cores表示真實(shí)CPU的內(nèi)核數(shù)等等。

邏輯CPU的描述：現(xiàn)在的服務(wù)器一般都使用了“超線程”（Hyper-Threading，簡稱HT）技術(shù)來提高CPU的性能。超線程技術(shù)是在一顆CPU同時(shí)執(zhí)行多個程序而共同分享一顆CPU內(nèi)的資源，理論上要像兩顆CPU一樣在同一時(shí)間執(zhí)行兩個線程。雖然采用超線程技術(shù)能同時(shí)執(zhí)行兩個線程，但它并不象兩個真正的CPU那樣，每各CPU都具有獨(dú)立的資源。當(dāng)兩個線程都同時(shí)需要某一個資源時(shí)，其中一個要暫時(shí)停止，并讓出資源，直到這些資源閑置后才能繼續(xù)。因此超線程的性能并不等于兩顆CPU的性能。具有超線程技術(shù)的CPU還有一些其它方面的限制。

二、CPU負(fù)載率的計(jì)算方式

Load average的概念源自UNIX系統(tǒng)，雖然各家的公式不盡相同，但都是用于衡量正在使用CPU的進(jìn)行數(shù)量和正在等待CPU的進(jìn)程數(shù)量，一句話就是runable processes的數(shù)量。所以Load average可以作為CPU瓶頸的參考指標(biāo)，如果大于CPU的數(shù)量，說明CPU可能不夠用了。

但是，在Linux上有點(diǎn)差異！

Linux上的load average除了包括正在使用CPU的進(jìn)程數(shù)量和正在等待CPU的進(jìn)程數(shù)量之外，還包括uninterruptible sleep的進(jìn)程數(shù)量。通常等待IO設(shè)備、等待網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，進(jìn)程會處于uninterruptible sleep狀態(tài)。Linux設(shè)計(jì)者的邏輯是，uninterruptible sleep應(yīng)該都是很短暫的，很快就會恢復(fù)運(yùn)行，所以被等同于runnable。然而uninterruptible sleep即使再短暫也是sleep，何況現(xiàn)實(shí)世界中uninterruptible sleep未必很短暫，大量的、或長時(shí)間的uninterruptible sleep通常意味著IO設(shè)備遇到了瓶頸。眾所周知，sleep狀態(tài)的進(jìn)程是不需要CPU的，即使所有的CPU都空閑，正在sleep的進(jìn)程也是運(yùn)行不了的，所以sleep進(jìn)程的數(shù)量絕對不適合用作衡量CPU負(fù)載的指標(biāo)，Linux把uninterruptible sleep進(jìn)程算進(jìn)load average的做法直接顛覆了load average的本來意義。所以在Linux系統(tǒng)上，load average這個指標(biāo)基本失去了作用，因?yàn)槟悴恢浪硎裁匆馑?，?dāng)看到load average很高的時(shí)候，你不知道是runnable進(jìn)程太多還是uninterruptible sleep進(jìn)程太多，也就無法判斷是CPU不夠用還是IO設(shè)備有瓶頸。

從另一個方面來說，也就可以解釋為什么磁盤慢時(shí)（大量磁盤使用時(shí)），CPU負(fù)載會飆高了。基本上我碰到CPU負(fù)載高的情況就兩種情況：CPU本身處理太多任務(wù)，再加上軟中斷和上下文切換太頻繁導(dǎo)致負(fù)載高；再就是磁盤太慢導(dǎo)致了不可中斷睡眠太多導(dǎo)致CPU負(fù)載高。

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