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缘由：

前段时间因为部分工作内容涉及到Linux系统的CPU、内存资源占用分析，所以简要回顾了一下之前整理的文章，内容其实没啥大问题，但太简单和基本，只是简单介绍了一下系统负载的概念以及查看方法，缺少了具体场景下的分析思路和方法，没有什么实际的指导意义，所以近期又通过搜索找到了一批不错的文章（主要是 CPU飙高，系统性能问题如何排查？ 和 一文带你全面了解 Load Average （负载） 这两篇）进行学习，以期能够解答我的一些疑问，同时方便后面有需要的时候进一步参考。

我的问题：

1. 多核Linux系统上CPU使用率和负载的关系？
2. 机器告警CPU使用率过高或负载过高时，该如何快速定位大体原因以指导程序改进？

正文：

参考解答：

得到的相关解答：

1、同等压力下，不论核数多少，load average数值是一样的，但是cpu idle不一样，核数多的机器空闲率高，表示可以承载更多的计算任务。

2、单线程任务只会使用一个CPU，不管CPU核数有多少。

3、多核CPU，满负荷状态的数字为“1.00 * CPU核数”，即双核CPU为2.00，四核CPU为4.00。

4、SLEEP态(S/D)进程不会占用任何CPU资源。

5、Linux系统的load在Linux中体现的是系统整体负载(R+D)，即CPU负载 + Disk负载 + 网络负载 + 其余外设负载，并不完全等同于CPU使用率(这种情况只出现在Linux中，其余系统比如Unix，Load还是只代表CPU负载)，而且一般是会高于CPU使用率的，因为多包含了IO等待等进程。

6、Load Average、CPU、IO和系统是否卡顿之间的一般关系：

• CPU使用率高，IO无作业，Load Average低，系统反应颠簸（响应时慢时快）——这种场景，通常是计算密集型任务，即大量生成耗时短的计算任务。这种任务会占满CPU资源，造成系统响应速度颠簸，但由于每个任务能快速计算完成，不会在运行队列堆积，所以在Load Average里不会体现出来。
• CPU使用率高，IO繁忙/等待，Load Average高，系统卡——这种场景，通常是服务混部，即IO、计算密集型任务混部在一起，相当于CPU、IO都处于高负荷状态，那么Load Average 自然很高。
• CPU使用率低，IO等待，Load Average高，系统不卡——这种场景，通常是IO密集型任务，如果大量请求都集中于相同的IO设备，超出设备的响应能力，会造成任务在运行队列里堆积等待，也就是D状态的进程堆积，那么此时Load Average就会飙高。但由于任务都处于sleep等待状态，所以Load Average的值虽然很高，但系统响应速度不受影响。
• CPU使用率低，IO繁忙，Load Average低，系统卡——这种场景，通常是低频大文件读写，由于请求数量不大，所以任务都处于R状态，Load Average数值反映了当前运行的任务数，不会飙升，IO设备处于满负荷工作状态，导致系统响应能力降低。

1. 基础知识储备

Linux进程状态

Linux 2.6以后的内核中，进程一般存在7种基础状态：D-不可中断睡眠、R-可执行、S-可中断睡眠、T-暂停态、t-跟踪态、X-死亡态、Z-僵尸态，这几种状态在ps命令中有对应解释，下面是具体的解释和中文翻译：

$ man ps
...
PROCESS STATE CODES
  Here are the different values that the s, stat and state output specifiers (header "STAT" or "S") will display to describe the state of a process:

   D    uninterruptible sleep (usually IO) TASK_UNINTERRUPTIBLE,不可中断睡眠态。一般由I/O等待(比如磁盘I/O、网络I/O、外设I/O等)引起，出现时间非常短暂，大多很难被PS或者TOP命令捕获(除非I/O HANG死)。SLEEP态进程不会占用任何CPU资源。

   R    running or runnable (on run queue) TASK_RUNNING,可执行态。这种状态的进程都位于CPU的可执行队列中，正在运行或者正在等待运行，即不是在上班就是在上班的路上。

   S    interruptible sleep (waiting for an event to complete) TASK_INTERRUPTIBLE,可中断睡眠态。不同于D，这种状态的进程虽然也处于睡眠中，但是是允许被中断的。这种进程一般在等待某事件的发生（比如socket连接、信号量等），而被挂起。一旦这些事件完成，进程将被唤醒转为R态。如果不在高负载时期，系统中大部分进程都处于S态。SLEEP态进程不会占用任何CPU资源。

   T    stopped by job control signal __TASK_STOPPED,暂停态。暂停态一般由于收到SIGSTOP、SIGTSTP、SIGTTIN、SIGTTOUT四种信号被停止。暂停态进程会释放所有占用资源。
   t    stopped by debugger during the tracing __TASK_TRACED,跟踪态。进程处于运行停止的状态。跟踪态是由于进程被另一个进程跟踪引起(比如gdb断点）。暂停态进程会释放所有占用资源。

   X    dead (should never be seen) EXIT_DEAD,死亡态。进程的真正结束态，这种状态一般在正常系统中捕获不到。

   Z    defunct ("zombie") process, terminated but not reaped by its parent EXIT_ZOMBIE,僵尸态。这种状态的进程实际上已经结束了，但是父进程还没有回收它的资源（比如进程的描述符、PID等）。僵尸态进程会释放除进程入口之外的所有资源。
...

SLEEP态进程不会占用任何CPU资源。

Linux系统的load计算方法

以下为Linux内核源码中Load Average计算方法——除了可执行态进程，不可中断睡眠态进程也会被一起纳入计算，即：

LoadAverage = calc_load(TASK_RUNNING + TASK_UNINTERRUPTIBLE, n)

在上面 Linux进程状态 中有提到过，不可中断睡眠态的进程(TASK_UNINTERRUPTIBLE)一般都在进行I/O等待，比如磁盘、网络或者其他外设等待。由此我们可以看出，Linux系统的load在Linux中体现的是系统整体负载，即CPU负载 + Disk负载 + 网络负载 + 其余外设负载，并不完全等同于CPU使用率(这种情况只出现在Linux中，其余系统比如Unix，Load还是只代表CPU负载)，而且一般是会高于CPU使用率的，因为多包含了I/O等待等进程。也就导致了存在load很高，但是CPU使用率并不高的情况——一般是卡在了I/O那里。

CPU使用率

CPU的时间分片一般可分为4大类：用户进程运行时间 – UserTime, 系统内核运行时间 – SystemTime, 空闲时间 – IdleTime, 被抢占时间 – StealTime。除了IdleTime外，其余时间CPU都处于工作运行状态。

通常而言，我们泛指的整体CPU使用率为 UserTime 和 SystemTime 占比之和(例如tsar中CPU util)，即：

CPUutil = (UserTime + SystemTime) / (UserTime + SystemTime + IdleTime + StealTime)

为了便于定位问题，大多数性能统计工具都将这4类时间片进一步细化成了8类，如下为top命令对CPU时间片的分类：

$ man top
...
As a default, percentages for these individual categories are displayed.  Where two labels are shown below, those for more recent kernel versions are shown first.

   us, user    : 用户进程空间中未改变过优先级的进程占用CPU百分比(time running un-niced user processes)

   sy, system  : 内核空间占用CPU百分比(time running kernel processes)

   ni, nice    : 用户进程空间内改变过优先级的进程占用CPU百分比(time running niced user processes)

   id, idle    : 空闲时间百分比(time spent in the kernel idle handler)

   wa, IO-wait : 空闲&等待I/O的时间百分比(time waiting for I/O completion)

   hi : 硬中断时间百分比(time spent servicing hardware interrupts)

   si : 软中断时间百分比(time spent servicing software interrupts)

   st : 虚拟化时被其余VM窃取时间百分比(time stolen from this vm by the hypervisor)
...

这8类分片中，除 wa 和 id 外，其余分片CPU都处于工作态。

2. 资源&瓶颈分析

Load高 & CPU高

这是我们最常遇到的一类情况，即load上涨是CPU使用率上升导致。根据CPU具体资源分配表现，可分为以下几类：

1. CPU sys高

这种情况CPU主要开销在于系统内核，可进一步查看上下文切换情况。

• 如果非自愿上下文切换较多，说明CPU抢占较为激烈，大量进程由于时间片已到等原因，被系统强制调度，进而发生的上下文切换。
• 如果自愿上下文切换较多，说明可能存在I/O、内存等系统资源瓶颈，大量进程无法获取所需资源，导致的上下文切换。

如何判断是自愿的上下文切换，还是非自愿的上下文切换？

2. CPU si高

这种情况CPU大量消耗在软中断，可进一步查看软中断类型（cat /proc/softirqs）。一般而言，网络I/O或者线程调度引起软中断最为常见：

• NET_TX & NET_RX。NET_TX是发送网络数据包的软中断，NET_RX是接收网络数据包的软中断，这两种类型的软中断较高时，系统存在网络I/O瓶颈可能性较大。
• SCHED。SCHED为进程调度以及负载均衡引起的中断，这种中断出现较多时，系统存在较多进程切换，一般与非自愿上下文切换高同时出现，可能存在CPU瓶颈。

1. CPU us高

这种情况说明资源主要消耗在应用进程，可能引发的原因有以下几类：

• 死循环或代码中存在CPU密集计算。这种情况多核CPU us会同时上涨。
• 内存问题，导致大量FULLGC，阻塞线程。这种情况一般只有一核CPU us上涨。
• 资源等待造成线程池满，连带引发CPU上涨。这种情况下，线程池满等异常会同时出现。

Load高 & CPU低

这种情况出现的根本原因在于不可中断睡眠态(TASK_UNINTERRUPTIBLE)进程数较多，即CPU负载不高，但I/O负载较高。可进一步定位是磁盘I/O还是网络I/O导致。

3. 具体排查策略

从问题发现到最终定位，基本可分为四个阶段：

1. 资源瓶颈定位

这一阶段通过全局性能检测工具（top、vmstat、tsar、/proc/softirqs、/proc/interrupts、iostat、dstat），初步定位资源消耗异常位点。

2. 热点进程定位

定位到资源瓶颈后，可进一步分析具体进程资源消耗情况（pidstat、pidstat、iotop、ps），找到热点进程。

3. 线程&进程内部资源定位

找到具体进程后，可细化分析进程内部资源开销情况（pidstat、lsof）。

4. 热点事件&方法分析

获取到热点线程后，我们可用trace或者dump工具，将线程反向关联，将问题范围定位到具体方法&堆栈。

但具体的问题排查和定位经验需要通过案例不断进行积累，只了解基本概念和知识是远远不够的，记忆也不深刻，所以每一次问题的排查都是学习和提高的机会，把握住了才能有进步和提高。

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top命令的一些使用经验备忘录

1. 按内存占用排序、按CPU使用率排序
2. 查看各CPU的使用率，看是否存在不均衡的情况（在top命令界面中按下数字1即可打开/关闭）

进入top命令的界面之后，按下 h 键弹出帮助文档，下面捡几个最近了解到的有用的指令记录一下
1
f #按下之后会进入字段显示管理的界面，上下键用于导航，s用于指定排序的键，d用于显示或不显示列，q用于回到主界面（默认是根据CPU使用排序，但有些时候需要根据内存使用情况排序，还是很有用的）
x #用于高亮显示当前排序的列
k #用于杀掉指定任务，键入k之后会提示你输入pid，默认是当前排第一的pid，（Send pid xxx signal [15/sigterm]）
L #用于进行任务定位，根据输入字符串进行查找（但是实际使用还是建议先退出去）

Help for Interactive Commands - procps-ng version 3.3.10
Window 1:Def: Cumulative mode Off.  System: Delay 3.0 secs; Secure mode Off.

  Z,B,E,e   Global: 'Z' colors; 'B' bold; 'E'/'e' summary/task memory scale
  l,t,m     Toggle Summary: 'l' load avg; 't' task/cpu stats; 'm' memory info
  0,1,2,3,I Toggle: '0' zeros; '1/2/3' cpus or numa node views; 'I' Irix mode
  f,F,X     Fields: 'f'/'F' add/remove/order/sort; 'X' increase fixed-width

  L,&,<,> . Locate: 'L'/'&' find/again; Move sort column: '<'/'>' left/right
  R,H,V,J . Toggle: 'R' Sort; 'H' Threads; 'V' Forest view; 'J' Num justify
  c,i,S,j . Toggle: 'c' Cmd name/line; 'i' Idle; 'S' Time; 'j' Str justify
  x,y     . Toggle highlights: 'x' sort field; 'y' running tasks
  z,b     . Toggle: 'z' color/mono; 'b' bold/reverse (only if 'x' or 'y')
  u,U,o,O . Filter by: 'u'/'U' effective/any user; 'o'/'O' other criteria
  n,#,^O  . Set: 'n'/'#' max tasks displayed; Show: Ctrl+'O' other filter(s)
  C,...   . Toggle scroll coordinates msg for: up,down,left,right,home,end

  k,r       Manipulate tasks: 'k' kill; 'r' renice
  d or s    Set update interval
  W,Y       Write configuration file 'W'; Inspect other output 'Y'
  q         Quit
          ( commands shown with '.' require a visible task display window )
Press 'h' or '?' for help with Windows,
Type 'q' or <Esc> to continue

参考链接：

CPU飙高，系统性能问题如何排查？ #nice
https://mp.weixin.qq.com/s/fzLcAkYwKhj-9hgoVkTzaw

一文带你全面了解 Load Average （负载） #nice
https://mp.weixin.qq.com/s/qqimEIOKjMJe7DHyXT09fA

Linux Load Averages: Solving the Mystery
http://www.brendangregg.com/blog/2017-08-08/linux-load-averages.html

What exactly is a load average?
http://linuxtechsupport.blogspot.com/2008/10/what-exactly-is-load-average.html

对cpu与load的理解及线上问题处理思路解读
https://mp.weixin.qq.com/s/ENGcqDABD9TLD6gjM0Jegw

【Linux负载系列-1】Linux 系统的平均负载（Load Avarage）
https://www.ebpf.top/post/linux_load_avg/

How to display top results sorted by memory usage in real time?
https://unix.stackexchange.com/questions/128953/how-to-display-top-results-sorted-by-memory-usage-in-real-time

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