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作為一名后端程序員，應(yīng)該能經(jīng)常聽到“系統(tǒng)負(fù)載過高”,“CPU打爆了”諸如此類的描述，那么，什么是系統(tǒng)負(fù)載過高？什么是 CPU打爆了？生產(chǎn)環(huán)境，又該如何排查？今天我們就來聊一聊。

一、如何查看負(fù)載 

top 命令

top是使用最高頻的指令之一，命令及運行截圖如下：

# 系統(tǒng)默認(rèn)安裝的命令top

通過執(zhí)行指令可以看出：top 是交互式的系統(tǒng)監(jiān)視工具，實時顯示的信息特別多，主要包括下面幾類：

1. 進程信息：

   • PID：進程id，唯一標(biāo)識進程

   • 用戶：運行進程的用戶

   • CPU 使用率：進程正在使用的 CPU 資源的百分比

   • 內(nèi)存使用率：進程正在使用的內(nèi)存的百分比

   • 進程狀態(tài)：進程的狀態(tài)，如運行、休眠、停止等

   • 進程優(yōu)先級：進程的優(yōu)先級

   • 進程啟動時間：進程啟動的時間

2. 系統(tǒng)總體性能：

   • 系統(tǒng)平均負(fù)載：1分鐘、5分鐘和15分鐘的平均負(fù)載，用于表示系統(tǒng)的負(fù)載情況

   • 總體 CPU使用率：系統(tǒng)的總體 CPU 使用率

   • 總體內(nèi)存使用：系統(tǒng)的總體內(nèi)存使用情況，包括總內(nèi)存、空閑內(nèi)存、已使用內(nèi)存等信息

   • 總體交換分區(qū)使用：如果有交換分區(qū)，它的使用情況也會顯示

3. CPU 利用率：

   • 按核心或邏輯處理器顯示每個 CPU 核心的使用情況，包括用戶態(tài)、系統(tǒng)態(tài)、空閑時間等

4. 內(nèi)存和交換分區(qū)使用情況：

   • 物理內(nèi)存：總物理內(nèi)存、已使用內(nèi)存、可用內(nèi)存、緩存和緩沖區(qū)等信息

   • 交換分區(qū)：總交換空間、已使用交換空間和可用交換空間

5. 任務(wù)信息：

   • 運行中的任務(wù)總數(shù)、運行任務(wù)數(shù)、睡眠任務(wù)數(shù)等

6. 系統(tǒng)時間：

   • 當(dāng)前系統(tǒng)時間以及系統(tǒng)運行時間

uptime 命令

top命令顯示的信息太多，如果想簡單的展示系統(tǒng)負(fù)載，uptime是比較匹配的命令，命令及運行截圖如下：

通過截圖可以看出：uptime 命令只會顯示系統(tǒng)的平均負(fù)載以及系統(tǒng)當(dāng)前時間、已運行時間和登錄用戶數(shù)量 4個信息。

htop 命令

htop命令，系統(tǒng)默認(rèn)是不安裝的，所以在使用該命令時需要先安裝，命令和運行截圖如下：

通過執(zhí)行指令可以看出：htop 和 top很類似，也是交互式的系統(tǒng)監(jiān)視工具，主要會顯示下面8種信息：

• 進程列表：htop 顯示當(dāng)前運行的所有進程的列表，包括它們的進程ID（PID）、用戶、進程狀態(tài)、CPU 使用率、內(nèi)存使用量等信息。這些信息按默認(rèn)情況下按 CPU 使用率降序排列。

• CPU 和內(nèi)存利用情況：htop 在頂部顯示了一個可視化的 CPU 和內(nèi)存利用情況的圖形。這些圖形可以幫助你直觀地了解系統(tǒng)資源的使用情況。

• 系統(tǒng)負(fù)載信息：htop 在頂部的第一行顯示了系統(tǒng)的平均負(fù)載值，以及CPU核心的使用情況。這包括用戶態(tài)、系統(tǒng)態(tài)和等待態(tài)（I/O等待）的負(fù)載。

• 快捷鍵幫助：htop 在底部顯示了一些快捷鍵的幫助信息，以便用戶可以通過鍵盤快速執(zhí)行不同的操作，如終止進程、改變排序方式等。

• 進程樹：htop 可以顯示進程樹，這是一種以樹狀結(jié)構(gòu)展示進程之間關(guān)系的方式，有助于理解進程之間的父子關(guān)系。

• 進程狀態(tài)標(biāo)簽：htop 使用不同的顏色和標(biāo)簽來表示進程的狀態(tài)，例如運行中的進程、休眠的進程、僵尸進程等，這有助于快速識別問題。

• 進程詳細(xì)信息：通過選中進程并按下鍵盤上的箭頭鍵或使用其他快捷鍵，htop 可以顯示有關(guān)選定進程的更詳細(xì)的信息，如打開的文件、線程信息、進程環(huán)境變量等。

• 可定制性：htop 允許用戶自定義顯示的列和排序方式，以滿足特定的監(jiān)視需求。

w 命令

w 命令和 uptime很類似，命令及運行截圖如下：

通過執(zhí)行指令可以看出：w 命令會顯示當(dāng)前登錄用戶的信息，包括平均負(fù)載。

通過執(zhí)行上面 4個指令，我們可以看出：每個指令的結(jié)果里面都包含“load averages:  

數(shù)字1 數(shù)字2 數(shù)字3”， 那么 load averages是什么？后面的3個數(shù)字又代表什么含義？

二、平均負(fù)載

定義

load averages，中文翻譯為：平均負(fù)載，它是指在一段時間內(nèi)系統(tǒng)上運行的進程數(shù)量或等待資源的平均情況。通常用于 Unix 和類 Unix 系統(tǒng)。

定義看起來有些晦澀，其實，我們可以把平均負(fù)載簡單理解成平均活躍進程數(shù)。

三個重要數(shù)字

介紹了平均負(fù)載的定義，接著分析 load averages 后面三個重要數(shù)字的含義，通過執(zhí)行 man uptime指令，我們可以查看官方文檔：

從文檔截圖可以總結(jié)三個數(shù)字的含義分別為：

• 1分鐘平均負(fù)載: 表示在最近1分鐘內(nèi)系統(tǒng)的平均負(fù)載情況；

• 5分鐘平均負(fù)載: 表示在最近5分鐘內(nèi)系統(tǒng)的平均負(fù)載情況；

• 15分鐘平均負(fù)載: 表示在最近15分鐘內(nèi)系統(tǒng)的平均負(fù)載情況；

解釋完 load averages 3個數(shù)字的含義，另一個問題也就隨之而來：3個數(shù)字的值為多少代表系統(tǒng)健康？多少代表系統(tǒng)過載了？在解答這個問題之前，我們先來分析“CPU打爆了”。

三、CPU打爆了

CPU打爆了，其實就是說 CPU的使用率大于等于100%，比如，如果服務(wù)器只有一個 CPU，100% 就代表 CPU滿負(fù)載，如果服務(wù)器有 2個 CPU，那么 CPU的使用率 >= 200%，CPU就被打爆了， 在生產(chǎn)環(huán)境，通常會把CPU總量的 80%～85%設(shè)置為報警閾值，這樣就能提醒相關(guān)人員服務(wù)器的 CPU使用過高，需要特別關(guān)注。

那么，如何查看服務(wù)器的 CPU個數(shù)呢？可以使用下面的指令：

如下圖：

四、兩者關(guān)系

分析了平均負(fù)載和 CPU使用率，那么兩者之間存在什么關(guān)系呢？

在平均負(fù)載定義時提到平均負(fù)載就是進程平均數(shù)，因此，先來看看進程是什么：

進程是指計算機上運行的程序?qū)嵗ǔ０?CPU密集型進程 和 IO密集型進程，兩種進程的詳情如下：

1. CPU密集型進程：

• 特點：CPU密集型進程是那些主要依賴于處理器執(zhí)行能力的任務(wù)。它們通常涉及大量的計算、數(shù)據(jù)處理和算法運算，需要大量的 CPU時間來完成。

• 資源需求：這種類型的進程主要消耗 CPU資源，而對內(nèi)存和磁盤等其他資源的需求相對較低。

• 性能特點：CPU密集型進程在多核處理器上執(zhí)行時，可以受益于并行計算，因為它們可以同時在多個CPU核心上運行。提高CPU頻率和核心數(shù)量可以顯著提高這些進程的性能。

• 示例：數(shù)值模擬、圖像處理、密碼破解等計算密集型任務(wù)。

1. IO密集型進程：

• 特點：IO密集型進程是那些主要涉及文件讀寫、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)庫查詢等需要大量IO操作的任務(wù)。它們通常不需要大量的CPU計算時間，而是花費大部分時間等待IO操作完成。

• 資源需求：IO密集型進程對 CPU的需求相對較低，但對存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)存等IO相關(guān)資源的需求較高。

• 性能特點：提高 CPU性能對 IO密集型任務(wù)的影響有限，因為它們通常受限于IO操作的速度。使用異步IO、多線程或多進程等技術(shù)可以提高IO密集型進程的性能。

• 示例：Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、文件上傳下載服務(wù)等需要頻繁IO操作的應(yīng)用程序。

到此，我們可以給平均負(fù)載重新定義，它是指系統(tǒng)中 IO密集型進程和 CPU密集型進程的平均數(shù)。這樣是不是對平均負(fù)載有更好的理解。

而 CPU作為中央處理單元，它是執(zhí)行系統(tǒng)中各種進程的硬件。假如每個 CPU上剛好有且只有一個進程在運行，是不是意味著不用切換 CPU，每個進程享受著 CPU 1對1的服務(wù)。因此，如果平均負(fù)載等于 CPU個數(shù)，就剛好滿足了這種 1對1服務(wù)，所以，平均負(fù)載最理想的情況就是等于 CPU個數(shù)。

有了這個前提，可以得出：在單 CPU服務(wù)器上 load averages 1 1 1 是最理想的平均負(fù)載，同理，在 N個 CPU的服務(wù)器上 load averages N N N 是最理想的平均負(fù)載。

如果 平均負(fù)載的3個數(shù)字不等于 CPU個數(shù)，就代表負(fù)載不正常嗎？下面我們分析一個案例：單 CPU服務(wù)器 load averages 0.6 1.2 0.8。

1分鐘平均負(fù)載為0.6， 小于1， 屬于低負(fù)載，5分鐘平均負(fù)載為1.2，大于1，系統(tǒng)過載，15分鐘平均負(fù)載為0.8， 也是低負(fù)載。平均負(fù)載對整體走勢是: 從 15分鐘的0.8 升高到 5分鐘的 1.2， 因此系統(tǒng)服務(wù)在升高，但又從 5分鐘的1.2 降到 1分鐘的0.6， 說明服務(wù)器的負(fù)載在降低，最后正常，所以對于 load averages，我們應(yīng)該按照整個發(fā)展趨勢來分析，這樣才能更好的分析系統(tǒng)的負(fù)載變化。趨勢可以參考下面對手繪圖：

那么，生產(chǎn)環(huán)境，平均負(fù)載多少是合理的？

業(yè)內(nèi)經(jīng)驗值：小于 CPU總數(shù)的 70% 是正常的，超過 70% 就需特別注意。但這個值并不是絕對的，需要根據(jù)具體業(yè)務(wù)具體分析。

最后，平均負(fù)載高，CPU就一定高嗎？

在講解進程時提到進程有 CPU密集型和 IO密集型，而 IO密集型對 CPU的影響不大，所以，平均負(fù)載高，CPU不一定高。

因此，在生產(chǎn)排查時，如果發(fā)現(xiàn)負(fù)載高，CPU使用率高，那任務(wù)是 CPU密集型概率比較大；如果發(fā)現(xiàn)負(fù)載高，CPU使用率不是很高，那任務(wù)是 IO密集型概率比較大。

五、CPU飆高排查過程

CPU飆高排查，應(yīng)該是對很多后端程序員的一個能力要求，下面給出了一個常用的排查步驟：

1. 連接到問題服務(wù)器；

2. 執(zhí)行 top命令：查找 CPU使用最高的進程PID；

3. 執(zhí)行 jstack > t.log 命令：導(dǎo)出線程堆棧；

4. 執(zhí)行 top -pH pid：查看進程所有線程的 CPU使用率以及線程Id；

5. 執(zhí)行 printf %x 線程pid：將線程ID轉(zhuǎn)換成16進制ID，并在步驟3中生成的線程堆棧里找到對應(yīng)的線程；

6. 根據(jù)堆棧信息，找到對應(yīng)源碼分析具體原因；

六、總結(jié)

• 本文介紹了 4個生產(chǎn)環(huán)境常用的系統(tǒng)負(fù)載排查指令：top，uptime，htop，w；

• 本文分析了平均負(fù)載是什么，以及如何分析負(fù)載的3個重要數(shù)字；

• 本文分析了平均負(fù)載和 CPU的關(guān)系：平均負(fù)載理想值等于 CPU數(shù)；

• 進程分 CPU密集型和 IO密集型， 對于 CPU密集型進程，負(fù)載高，CPU也隨著升高；IO密集型進程，負(fù)載高，CPU不一定高；

• 文末給出了生產(chǎn)環(huán)境 CPU飆高的排查過程；