CPU负载与CPU使用率之区别

在日常的性能测试与系统监控中，CPU负载和CPU使用率是两个常见的指标，它们经常被提及，但也经常被混淆。本文将为你深入解析两者的区别，以及它们各自的意义和应用场景，让你更清楚地掌握这些关键性能指标。

存储、内存和 CPU（中央处理器）等系统资源不足会极大地影响应用程序的性能。因此，监控这些组件至关重要。

与磁盘和内存不同，监控 Linux 系统上的 CPU 使用率并不那么简单。在本文中，我们将了解如何解释 CPU 指标并以人类可读的格式显示它们。

CPU 负载与 CPU 使用率

尽管 CPU 负载和 CPU 使用率听起来很相似，但它们是不可互换的。CPU 负载定义为在单个时间点使用或等待使用一个内核的进程数。

假设我们有一个单核系统，我们的 CPU 平均负载始终低于 0.6。这表明每个需要使用 CPU 的进程都可以立即使用它，而无需等待。如果 CPU 平均负载大于 1，则表示有进程需要使用 CPU，但由于 CPU 不可用，目前无法使用。

但是，多处理器系统中高于 1 的平均负载不会成为问题，因为有更多内核可用。

uptime命令为我们提供了以 1、5 和 15 分钟为间隔的平均负载视图：

[root@localhost ~]# uptime12:40:05 up  2:29,  1 user,  load average: 0.37, 0.08, 0.03

如果不知道系统的核心数，就无法解释平均负载：

# cat /proc/cpuinfo |grep corecore id        : 0cpu cores    : 1# cat /proc/cpuinfo |grep corecore id     : 0cpu cores   : 2core id     : 0cpu cores   : 2core id     : 1cpu cores   : 2core id     : 1cpu cores   : 2

另一方面，CPU 使用率是 CPU 处理非空闲任务所花费的时间百分比。CPU 使用率只能在指定的时间间隔内测量。我们可以通过将空闲时间的百分比从 100 中减去来确定 CPU 使用率。

计算CPU使用率

1、使用vmstat获取 CPU 使用率
vmstat命令近乎实时地显示 CPU 活动：

# vmstat 3 4procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st 4  0      0 1347080   6120 941464    0    0    68    11   72  137  1  2 97  0  01  0      0 1347080   6120 941464    0    0     0     0   84  157  1  2 97  0  01  0      0 1347080   6120 941464    0    0     0     0   59  107  1  1 98  0  01  0      0 1347080   6120 941464    0    0     0     1   59  104  1  1 98  0  0

CPU 下的列提供了处理器时间花费在哪里的概览：

• us –运行非内核代码所花费的时间

• sy -运行内核代码所花费的时间

• id –空闲时间

• wa –等待 I/O 所花费的时间

• st -从虚拟机中窃取时间
   

id列是我们感兴趣的。延迟一秒，我们使用 vmstat 计算CPU使用率：

[root@localhost ~]# echo "CPU Usage: "$[100-$(vmstat 1 2|tail -1|awk '{print $15}')]"%"CPU Usage: 2%

没有提供任何参数的vmstat命令将给出自引导以来的 CPU 时间。这不会提供准确的 CPU 使用百分比。因此，参数只能是 1 和 2，我们采用一秒钟后计算的指标：

2、使用/proc/stat获取 CPU 使用率
CPU 活动也可以从/proc/stat文件中提取。该文件包含自启动以来有关系统的各种指标：

#cat /proc/stat 
cpu  65367628 953 22932463 2375856549 2197237 0 1946432 0 0 0
cpu0 17476419 247 6017418 592188525 448421 0 551235 0 0 0
cpu1 15205823 274 5377711 595458052 609782 0 460967 0 0 0
cpu2 17714818 235 6120189 592488511 582748 0 487777 0 0 0
cpu3 14970567 195 5417144 595721459 556284 0 446450 0 0 0
intr 19254483325 128 9 0 0 524 0 3 0 146 0 0 21 15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 27 0 63657576 2 241449792 165587438 238303338 155312300 253683406 161946028 268992893 187313418 0 7268232 0 18751463 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 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 173337668793
btime 1648457167
processes 57320268
procs_running 2
procs_blocked 0
softirq 12000130905 1 1247219541 0 1075777327 82816139 0 5752561 2548585639 372991 2744639410

第一行，  'cpu'  是系统所有核心指标的聚合。

在具有 4 个内核的系统上，将有 4条cpu线——cpu0、cpu1、cpu2和cpu3。' cpu ' 行中的列表示处理不同任务所花费的时间：

• user – 在用户模式下花费的时间

• nice – 在用户模式下处理 nice 进程所花费的时间

• system – 执行内核代码所花费的时间

• idle - 空闲时间

• iowait – 等待 I/O 所花费的时间

• irq - 服务中断所花费的时间

• softirq – 服务软件中断所花费的时间

• steal —从虚拟机中窃取的时间

• guest - 为来宾操作系统运行虚拟 CPU 所花费的时间
   

guest_nice – 为“不错的”客户操作系统运行虚拟 CPU 所花费的时间
我们将使用这些指标来计算平均空闲百分比。随后，我们将使用计算值来计算 CPU 使用率。

需要注意的是，较旧的 Linux 发行版不计算窃取、来宾或来宾_nice指标。如果我们使用的是旧系统，我们会在计算中忽略这些指标：

平均空闲时间 (%) = (idle * 100) / (user + nice + system + idle + iowait + irq + softirq +steal + guest + guest_nice)cat /proc/stat |grep cpu |tail -1|awk '{print ($5*100)/($2+$3+$4+$5+$6+$7+$8+$9+$10)}'|awk '{print "CPU Usage: " 100-$1}'CPU Usage: 2.4219

由于我们正在开发单核系统，因此“cpu”行将与“cpu1 ”相同。因此，tail -1 的使用是 只检索其中一行。然而，我们会在多处理器系统上使用“ cpu ”行，因为它是所有内核上的指标的集合。

3、使用top获取 CPU 使用率
通常，top命令通常用于显示系统上的活动进程以及这些进程消耗了多少资源。

不过，我们可以使用这个命令来测量 CPU 的状态：

# toptop - 07:08:31 up  2:41,  1 user,  load average: 0.00, 0.00, 0.00Tasks: 322 total,   2 running, 320 sleeping,   0 stopped,   0 zombie%Cpu(s): 10.0 us, 15.0 sy,  0.0 ni, 97.8 id,  0.0 wa,  5.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
MiB Mem :   3709.4 total,   1483.1 free,   1402.0 used,    824.4 buff/cache
MiB Swap:   2048.0 total,   2048.0 free,      0.0 used.   2053.4 avail Mem

-n选项是top命令在结束前应该使用的迭代次数。我们避免使用第一个循环，因为我们检索的指标将是自启动以来的值。因此，我们进行了第二次迭代。

或者，在多处理器系统中，我们必须将给定的“ id”值除以内核数，然后从 100 中减去该值。例如，如果我们在四核系统上运行，并且“ id ”值为 304%，我们将 CPU 使用率计算为：

CPU 使用率 % = 100 – (304/4)[root@localhost ~]# top -bn2 | grep '%Cpu' | tail -1 | grep -P '(....|...) id,'|awk '{print "CPU Usage: " 100-($8/4) "%"}'

CPU负载与CPU使用率的核心区别

对比维度	CPU负载	CPU使用率
定义	系统中正在运行和等待CPU处理的任务数量	CPU在某一时间段内的繁忙程度（百分比表示）
包含范围	包括正在运行的任务和等待任务	仅包括实际在运行的任务
单位	无单位，表示任务数量	百分比 (%)
核心相关性	与CPU核数相关，需结合CPU核心数判断性能	独立于CPU核心数，直接衡量CPU的繁忙程度
代表含义	描述系统调度压力，反映任务等待情况	反映当前CPU的繁忙程度
应用场景	判断系统是否过载，是否需要更多CPU资源	检查CPU是否被占满、性能是否需要优化

 

实战案例分析:

场景一：CPU负载高但CPU使用率低

现象：
系统CPU负载显示为 8，而CPU使用率仅为 30%。

可能原因：

• 系统中有大量的I/O密集型任务，任务在等待磁盘或网络I/O。
• 某些任务被锁资源阻塞（如线程同步锁）。

解决方法：

• 优化I/O性能：检查磁盘读写速度、网络延迟。
• 排查锁等待问题：监控线程堆栈。

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场景二：CPU使用率高但CPU负载低

现象：
CPU使用率为 95%，但负载为 1.5（在4核CPU系统中）。

可能原因：

• 当前CPU资源刚好足够处理任务，尚未出现大量等待。
• 大量CPU密集型任务消耗了资源，但任务数量较少。

解决方法：

• 优化CPU密集型算法：减少计算复杂度。
• 增加CPU核心数以提高并发能力。

总结与建议

• CPU负载适用于评估系统整体压力，关注任务排队情况。
• CPU使用率用于检查CPU繁忙程度，关注资源是否饱和。
• 在性能测试中，需要结合两者使用，综合判断系统瓶颈。
• 定期监控这两个指标，能帮助快速定位问题，提高系统效率。

在本文中，我们讨论了 CPU 使用率和 CPU 负载之间的区别。许多人交替使用这两个概念，这是不正确的。之后，我们深入研究了用于检索 CPU 利用率指标的各种方法。

无论你是测试工程师、运维人员，还是开发者，理解并区分这两者，都是提升系统性能调优能力的关键一步！