[进程管理]Load和CPU利用率是如何算出来的

2023-08-19 11:00:16

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网址: http://www.penglixun.com/tech/system/how_to_calc_load_cpu.html

相信很多人都对Linux中top命令里“load average”这一栏困惑过，到底什么是Load，Load代表了什么含义，Load高会有什么后果？“%CPU”这一栏为什么会超过100%，它是如何计算的？

带着这些问题，我们通过一些测试，来探索下其中的不解之处。

首先，我们通过实验来大概确定其计算方式：

测试服务器：4核Xeon处理器

测试软件：MySQL 5.1.40

服务器上除了MySQL没有运行其他任何非系统自带软件。因为MySQL只能单线程运行单条SQL，所以可以很好的通过增加查询并发来控制使用的CPU核数。

空载时，top的信息为：

top – 14:51:47 up 35 days, 4:43, 1 user, load average: 0.00, 0.00, 0.00

Tasks: 76 total, 1 running, 75 sleeping, 0 stopped, 0 zombie

Cpu(s): 0.0%us, 0.0%sy, 0.0%ni, 99.5%id, 0.1%wa, 0.2%hi, 0.2%si, 0.0%st

在数据库中启动一个大查询：

top – 15:28:09 up 35 days, 5:19, 3 users, load average: 0.99, 0.92, 0.67

Tasks: 80 total, 1 running, 79 sleeping, 0 stopped, 0 zombie

Cpu0 : 0.0%us, 0.0%sy, 0.0%ni, 96.3%id, 0.0%wa, 1.3%hi, 2.3%si, 0.0%st

Cpu1 : 0.0%us, 0.0%sy, 0.0%ni,100.0%id, 0.0%wa, 0.0%hi, 0.0%si, 0.0%st

Cpu2 : 98.7%us, 1.3%sy, 0.0%ni, 0.0%id, 0.0%wa, 0.0%hi, 0.0%si, 0.0%st

Cpu3 : 0.0%us, 0.0%sy, 0.0%ni,100.0%id, 0.0%wa, 0.0%hi, 0.0%si, 0.0%st

同时可以看到%CPU也是在100%

PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND

877 mysql 15 0 308m 137m 4644 S 99.9 6.8 15:13.28 mysqld

然后开启第二个大查询，不久就可以看到top信息的变化，Load到了2：

top – 15:36:44 up 35 days, 5:28, 3 users, load average: 1.99, 1.62, 1.08

Tasks: 80 total, 1 running, 79 sleeping, 0 stopped, 0 zombie

Cpu0 : 0.0%us, 0.0%sy, 0.0%ni, 97.7%id, 0.0%wa, 1.0%hi, 1.3%si, 0.0%st

Cpu1 : 99.0%us, 1.0%sy, 0.0%ni, 0.0%id, 0.0%wa, 0.0%hi, 0.0%si, 0.0%st

Cpu2 : 0.0%us, 0.0%sy, 0.0%ni,100.0%id, 0.0%wa, 0.0%hi, 0.0%si, 0.0%st

Cpu3 : 99.0%us, 1.0%sy, 0.0%ni, 0.0%id, 0.0%wa, 0.0%hi, 0.0%si, 0.0%st

也可以观察到%CPU增加到了200%：

PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND

877 mysql 15 0 312m 141m 4644 S 199.8 7.0 22:31.27 mysqld

由此可以简单的做出如下临时结论：

1. %CPU是由每个核的CPU占用律之和算出来的。

2. load跟执行的任务数有关

不过要想准确的知道其含义，还是必须从源码入手。

CPU利用率的计算方法

下载busybox的源码，在procps目录下有top.c的源码，查看第293行附近（1.17.1版），可以看到

if (prev_hist_count) do {

        if (prev_hist[i].pid == pid) {

                cur-&gt;pcpu = cur-&gt;ticks - prev_hist[i].ticks;

                total_pcpu += cur-&gt;pcpu;

                break;

        }

        i = (i+1) % prev_hist_count;
/* hist_iterations++; */

} while (i != last_i);

这就是计算%CPU的代码，很明显total_pcpu就是累加了每个线程对每个核的使用率，所以%CPU的最大值就是核数*100%。

而CPU利用率又是怎么计算的呢，跟踪代码可以发现，是从系统的/proc/stat这里读取的，这个文件的格式可以参考：http://www.linuxhowtos.org/System/procstat.htm，下面是我笔记本上读出来的内容。

plx@plinux-Laptop:~/busybox-1.17.1$ cat /proc/stat

cpu 520529 3525 658608 3500749 210662 6650 29698 0 0

cpu0 249045 1936 466387 1624486 136381 308 17051 0 0

cpu1 271483 1588 192221 1876263 74281 6342 12646 0 0

intr 84067574 42497789 41743 0 0 0 0 0 0 1 57928 0 0 7175 0 0 0 477092 24693 0 5 0 183 0 20 0 0 0 12455 821851 745906 10192555 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

ctxt 142313984

btime 1281403521

processes 6707

procs_running 2

procs_blocked 0

softirq 56932805 0 20168080 9440286 238191 821787 0 10621375 4052209 13257 11577620

cpuN的含义从左到右分别是：user、system、nice、idle、iowait、irq、softirq，具体含义可以看文档。

在下面几行的含义是：

“intr”这行给出中断的信息，第一个为自系统启动以来，发生的所有的中断的次数；然后每个数对应一个特定的中断自系统启动以来所发生的次数。

“ctxt”给出了自系统启动以来CPU发生的上下文交换的次数。

“btime”给出了从系统启动到现在为止的时间，单位为秒。

“processes (total_forks) 自系统启动以来所创建的任务的个数目。

“procs_running”：当前运行队列的任务的数目。

“procs_blocked”：当前被阻塞的任务的数目。

那么CPU利用率可以使用以下方法，先取两个采样点，然后计算其差值：

cpu usage=(idle2-idle1)/(cpu2-cpu1)*100 cpu usage=[(user_2 +sys_2+nice_2) - (user_1 + sys_1+nice_1)]/(total_2 - total_1)*100;

这是一段Bash代码采集利用率的，摘自网络：

#!/bin/sh
##echo user nice system idle iowait irq softirq

CPULOG_1=$(cat /proc/stat | grep 'cpu ' | awk '{print $2" "$3" "$4" "$5" "$6" "$7" "$8}')

SYS_IDLE_1=$(echo $CPULOG_1 | awk '{print $4}')

Total_1=$(echo $CPULOG_1 | awk '{print $1+$2+$3+$4+$5+$6+$7}')

 
sleep 5

 

CPULOG_2=$(cat /proc/stat | grep 'cpu ' | awk '{print $2" "$3" "$4" "$5" "$6" "$7" "$8}')

SYS_IDLE_2=$(echo $CPULOG_2 | awk '{print $4}')

Total_2=$(echo $CPULOG_2 | awk '{print $1+$2+$3+$4+$5+$6+$7}')

 

SYS_IDLE=`expr $SYS_IDLE_2 - $SYS_IDLE_1`

 

Total=`expr $Total_2 - $Total_1`

SYS_USAGE=`expr $SYS_IDLE/$Total*100 |bc -l`

 

SYS_Rate=`expr 100-$SYS_USAGE |bc -l`

 

Disp_SYS_Rate=`expr "scale=3; $SYS_Rate/1" |bc`
echo $Disp_SYS_Rate%

还有一段Perl的代码，也是摘自网络：

#!/usr/bin/perl

use warnings;

 

$SLEEPTIME=5;

 

if (-e "/tmp/stat") {
unlink "/tmp/stat";

}
open (JIFF_TMP, "&gt;&gt;/tmp/stat") || die "Can't open /proc/stat file!\n";
open (JIFF, "/proc/stat") || die "Can't open /proc/stat file!\n";

@jiff_0=;
print JIFF_TMP $jiff_0[0] ;
close (JIFF);

 
sleep $SLEEPTIME;

 
open (JIFF, "/proc/stat") || die "Can't open /proc/stat file!\n";  @jiff_1=;
print JIFF_TMP $jiff_1[0];
close (JIFF);
close (JIFF_TMP);

 

@USER=`awk '{print \$2}' "/tmp/stat"`;

@NICE=`awk '{print \$3}' "/tmp/stat"`;

@SYSTEM=`awk '{print \$4}' "/tmp/stat"`;

@IDLE=`awk '{print \$5}' "/tmp/stat"`;

@IOWAIT=`awk '{print \$6}' "/tmp/stat"`;

@IRQ=`awk '{print \$7}' "/tmp/stat"`;

@SOFTIRQ=`awk '{print \$8}' "/tmp/stat"`;

 

$JIFF_0=$USER[0]+$NICE[0]+$SYSTEM[0]+$IDLE[0]+$IOWAIT[0]+$IRQ[0]+$SOFTIRQ[0];

$JIFF_1=$USER[1]+$NICE[1]+$SYSTEM[1]+$IDLE[1]+$IOWAIT[1]+$IRQ[1]+$SOFTIRQ[1];

$SYS_IDLE=($IDLE[0]-$IDLE[1]) / ($JIFF_0-$JIFF_1) * 100;  $SYS_USAGE=100 - $SYS_IDLE;

 
printf ("The CPU usage is %1.2f%%\n",$SYS_USAGE);

Load的计算方法

跟踪busybox的代码可以知道，load是从/proc/loadavg中读取的。

我本机的一次抓取内容如下：

plx@plinux-Laptop:~/busybox-1.17.1$ cat /proc/loadavg

0.64 0.81 0.86 3/364 6930

每个值的含义依次为：

lavg_1 (0.64) 1-分钟平均负载

lavg_5 (0.81) 5-分钟平均负载

lavg_15(0.86) 15-分钟平均负载

nr_running (3) 在采样时刻，运行队列的任务的数目，与/proc/stat的procs_running表示相同意思

nr_threads (364) 在采样时刻，系统中活跃的任务的个数（不包括运行已经结束的任务）

last_pid(6930) 最大的pid值，包括轻量级进程，即线程。

假设当前有两个CPU，则每个CPU的当前任务数为0.64/2=0.32

我们可以在Linux内核中找到loadavg文件的源码：

tatic int loadavg_read_proc(char *page, char **start, off_t off,

                                 int count, int *eof, void *data)

{

        int a, b, c;

        int len;

#

 

        a = avenrun[0] + (FIXED_1/200);

        b = avenrun[1] + (FIXED_1/200);

        c = avenrun[2] + (FIXED_1/200);

        len = sprintf(page,"%d.%02d %d.%02d %d.%02d %ld/%d %d\n",

                LOAD_INT(a), LOAD_FRAC(a),

                LOAD_INT(b), LOAD_FRAC(b),

                LOAD_INT(c), LOAD_FRAC(c),

                nr_running(), nr_threads, last_pid);

        return proc_calc_metrics(page, start, off, count, eof, len);

}

以及计算load的代码：

#define FSHIFT      11          /* nr of bits of precision */

#define FIXED_1     (1<<FSHIFT) /* 1.0 as fixed-point(定点) */

#define LOAD_FREQ   (5*HZ)      /* 5 sec intervals，每隔5秒计算一次平均负载值 */

#define CALC_LOAD(load, exp, n)     \

         load *= exp;               \

         load += n*(FIXED_1 - exp); \

         load >>= FSHIFT;

 

unsigned long avenrun[3];

 

EXPORT_SYMBOL(avenrun);

 
/*

* calc_load - given tick count, update the avenrun load estimates.

* This is called while holding a write_lock on xtime_lock.

*/

static inline void calc_load(unsigned long ticks)

{

        unsigned long active_tasks; /* fixed-point */

        static int count = LOAD_FREQ;

        count -= ticks;

        if (count < 0) {

                count += LOAD_FREQ;

                active_tasks = count_active_tasks();

                CALC_LOAD(avenrun[0], EXP_1, active_tasks);

                CALC_LOAD(avenrun[1], EXP_5, active_tasks);

                CALC_LOAD(avenrun[2], EXP_15, active_tasks);

        }

}

看了大师的文章，理解了这些代码。

所以可以明白：Linux的系统负载指运行队列的平均长度，也就是等待CPU的平均进程数。 Linux的系统负载指运行队列的平均长度，也就是等待CPU的平均进程数。因为Linux内禁止浮点运算，因此系统的负载只能通过计算变化的次数这一修正值来计算。Linux内核定义一个长度为3的双字数组avenrun，双字的低11位用于存放负载的小数部分，高21位用于存放整数部分。当进程所耗的
CPU时间片数超过CPU在5秒内能够提供的时间片数时，内核计算上述的三个负载。负载初始化为0，假设最近1、5、15分钟内的平均负载分别为 load1、load5和load15，那么下一个计算时刻到来时，内核通过下面的算式计算负载：

load1 -= load1 -* exp(-5 / 60) -+ n * (1 – exp(-5 / 60 ))

load5 -= load5 -* exp(-5 / 300) + n * (1 – exp(-5 / 300))

load15 = load15 * exp(-5 / 900) + n * (1 – exp(-5 / 900))

其中，exp(x)为e的x次幂，n为当前运行队列的长度。Linux内核认为进程的生存时间服从参数为1的指数分布，指数分布的概率密度为：以内核计算负载load1为例，设相邻两个计算时刻之间系统活动的进程集合为S0。从1分钟前到当前计算时刻这段时间里面活动的load1个进程，设他们的集合是 S1，内核认为的概率密度是:λe-λx，而在当前时刻活动的n个进程，设他们的集合是Sn内核认为的概率密度是1-λe-λx。其中x = 5 / 60，因为相邻两个计算时刻之间进程所耗的CPU时间为5秒，而考虑的时间段是1分钟(60秒)。那么可以求出最近1分钟系统运行队列的长度：

load1 = |S1| -* λe-λx + |Sn| * (1-λe-λx) = load1 * λe-λx + n * (1-λe-λx)

其中λ = 1， x = 5 / 60， |S1|和|Sn|是集合元素的个数，这就是Linux内核源文件shed.c的函数calc_load()计算负载的数学依据。

所以“Load值=CPU核数”，这是最理想的状态，没有任何竞争，一个任务分配一个核。

由于数据是每隔5秒钟检查一次活跃的进程数，然后根据这个数值算出来的。如果这个数除以CPU的核数，结果高于5的时候就表明系统在超负荷运转了。

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CPU利用率的计算方法

Load的计算方法

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