Linux系统负载相关知识汇总

前段时间正好对系统负载这个概念感兴趣。 就做了一些小的研究。 比较详细的了解这个概念。 这里是我对Linux负载相关的知识的一些整理，记载在博客里， 方便以后查看， 也希望对其他人有用。 

本文的内容结构如下：

一： 什么是系统平均负载

二： 怎么查看系统负载

三： 怎么判断系统负载是否过重

四： 系统负载是怎么计算出来的

一： 什么是系统平均负载

以下内容是针对Linux下进行讨论的。 Linux Load average ， 即系统平均负载。 系统平均负载被定义为在特定时间间隔内运行队列中的平均进程数。 

有几个基本概念：（以下内容引用自： http://www.cnblogs.com/amsun/p/3155246.html）

• Load 指的是运行队列(run-queue)的长度：L = 等待进程的数目 + 运行进程的数目
• Load Average指的是在一段时间内CPU正在处理以及等待CPU处理的进程数之和的统计信息，也就是CPU使用队列的长度的统计信息。
• Load Average反映了CPU的使用情况和申请情况.

虽然系统负载反应了cpu的使用情况和申请情况，但是cpu利用率和系统负载又是有区别的。 

• Load Average所包含的信息不是CPU的使用率状况
• 多任务环境下，系统分配时间片以后，是否使用完全使用时间片取决于进程，因此完全可能出现低CPU利用率而高Load Average的情况

二： 怎么查看系统负载

目前Linux上有三个命令（top， w， uptime），可以查看系统负载。 

load average: 0.00, 0.01, 0.05 

这三个数字，分别表示1分钟， 5分钟， 15分钟内的系统的平均负荷。

额外补充一种查看系统负载的方法： cat  /proc/loadavg  

三： 怎么判断系统负载是否过重

在阮一峰老师的博客里有比较好的介绍，他分别针对单CPU， 多CPU,  CPU多核三种情况来做讨论。 他做了一个类别， 把cpu比做大桥， 单cpu就是单车道， 类似的多CPU或者CPU有多个核，就是多车道。 下面直接引用他的描述

（http://www.ruanyifeng.com/blog/2011/07/linux_load_average_explained.html）：

那么，我们不妨把这个CPU想象成一座大桥，桥上只有一根车道，所有车辆都必须从这根车道上通过。（很显然，这座桥只能单向通行。）

系统负荷为0，意味着大桥上一辆车也没有。

系统负荷为0.5，意味着大桥一半的路段有车。

系统负荷为1.0，意味着大桥的所有路段都有车，也就是说大桥已经"满"了。但是必须注意的是，直到此时大桥还是能顺畅通行的。

系统负荷为1.7，意味着车辆太多了，大桥已经被占满了（100%），后面等着上桥的车辆为桥面车辆的70%。以此类推，系统负荷2.0，意味着等待上桥的车辆与桥面的车辆一样多；系统负荷3.0，意味着等待上桥的车辆是桥面车辆的2倍。总之，当系统负荷大于1，后面的车辆就必须等待了；系统负荷越大，过桥就必须等得越久。

CPU的系统负荷，基本上等同于上面的类比。大桥的通行能力，就是CPU的最大工作量；桥梁上的车辆，就是一个个等待CPU处理的进程（process）。

如果CPU每分钟最多处理100个进程，那么系统负荷0.2，意味着CPU在这1分钟里只处理20个进程；系统负荷1.0，意味着CPU在这1分钟里正好处理100个进程；系统负荷1.7，意味着除了CPU正在处理的100个进程以外，还有70个进程正排队等着CPU处理。

为了电脑顺畅运行，系统负荷最好不要超过1.0，这样就没有进程需要等待了，所有进程都能第一时间得到处理。很显然，1.0是一个关键值，超过这个值，系统就不在最佳状态了，你要动手干预了。

通常情况下， 对于单CPU的情况，

如果load average 大于 0.7 ，就要开始引起系统管理员注意， 查找问题所在；

大于1.0， 就要寻找解决方法；

大于5.0，表明系统的问题已经很严重了， 可能会死机。 

对于多CPU或者多核的情况， 请乘以对应的倍数来判断。 

另外，由于在Linux中，会返回三个时间的观察值，那么就存在一个问题，就是我要以哪个时长的观察值为准了。 在阮一峰老师的博文中也给出了建议：

如果只有1分钟的系统负荷大于1.0，其他两个时间段都小于1.0，这表明只是暂时现象，问题不大。

如果15分钟内，平均系统负荷大于1.0（调整CPU核心数之后），表明问题持续存在，不是暂时现象。所以，你应该主要观察"15分钟系统负荷"，将它作为电脑正常运行的指标。

四： 系统负载是怎么计算出来的

为了搞清楚系统负载是怎么算出来的， 我又在网上找到了一些资料。 计算公式涉及了高等数学的运算，如果对此不感兴趣，可以直接跳过。 

通过查看Linux源码， 可以得到， Linux计算系统平均负载的公式为：

load(t) = load(t-1) e^(-5/60) + n (1 - e^(-5/60))

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。

【参考文献】

1.    http://blog.scoutapp.com/articles/2009/07/31/understanding-load-averages 

2.    http://www.ruanyifeng.com/blog/2011/07/linux_load_average_explained.html

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

4.    http://www.cnblogs.com/amsun/p/3155246.html

5.    http://www.ccvita.com/354.html

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