正确使用load average的姿势

2020-11-17 20:37 来源:未知 作者:mas 责编:mas

经常碰到load飙高的问题,再次总结整理一下:

在操作系统中我们查看系统的负载一般会使用cpu使用率和load average两个值判断,load就是当前正在使用cpu的进程和正在等待使用cpu的进程数量之和,这个值怎样去看,估计好多同学并不清楚或只知其一二,结合下面三个问题来理解load值。

关于load的三个问题

问题1. 如何查看load?

通过top命令、uptime命令和w命令可以输出系统1分钟、5分钟和15分钟的load值;

问题2.这个值从哪里读取?

load来源是系统文件/proc/loadavg

[root@report ~]# cat /proc/loadavg 
0.02 0.06 0.08 1/1454 12386

这个文件中一共有五个值,依次为 :1分钟平均load、5分钟平均load、15分钟平均load、cpu队列中的任务数/总任务数、最后一次运行的进程或线程id;

问题3.什么样的进程会被统计到load里?

这个问题估计大部分童鞋都不清楚,一般都认为处于R状态的进程会被统计进去,实际上除了R状态的进程以外,处于D状态的进程也会被统计进去; D状态的进程不常见,等待IO的时候会处于这个状态,一般情况下这个状态时间非常短,如果我们看到大量的D状态的进程,这个时候cpu的使用率未必很高,说明IO遇到瓶颈或IO设备出现了问题;

正确使用load的姿势

不能单纯以load值来判断cpu的负载,要结合cpu的使用率、进程的状态和load值来综合判断。

load飙高一般有三种情况:

1. cpu使用率高,load值高,有状态为R的进程

这就是网上大部分文章提到的情况,此时,说明任务都是cpu密集型的,都在等待着cpu,这种情况下说明cpu负载很高。

2.cpu使用率不高,load值高,有状态为D的进程

这种情况会发现进程状态为D,说明任务为IO密集型的任务,都在等待IO,这种情况下要检查io设备。

3.cpu使用率高,load值高,系统中既有R状态又有D状态的进程

这种情况就不好判断cpu负载了,但是存在D状态的任务,就说明IO操作出现了阻塞,要关注一下IO设备情况了;cpu负载需要排查了D状态进程问题后再去判断;

D状态的进程

睡眠状态的进程有两种,一种是S状态的进程,又叫interruptible sleep进程;一种是D状态的进程又叫uninterruptible sleep进程;从名字上就可以看出他们的区别,可中断休眠进程与不可中断休眠进程,处于S状态的进程是可以响应中断状态的,我们通过Kill -信号 方式可以给进程发送中断命令,进程可以响应命令,而处于D状态的进程是个聋子,它不会响应你的任何命令,即使是root用户使用kill -9 也不行,要结束掉这种状态的进程,只能等待io操作执行完成,如果io设备出现了问题,那么就只能重启服务器了,所以即使是root用户也有无可奈何的时候啊;

进程状态说明

以下内容摘抄自网络,层层转载,出处不详,写的比较详细,我就直接贴过来了

 

Linux进程状态:R (TASK_RUNNING),可执行状态。

只有在该状态的进程才可能在CPU上运行。而同一时刻可能有多个进程处于可执行状态,这些进程的task_struct结构(进程控制块)被放入对应CPU的可执行队列中(一个进程最多只能出现在一个CPU的可执行队列中)。进程调度器的任务就是从各个CPU的可执行队列中分别选择一个进程在该CPU上运行。

很多操作系统教科书将正在CPU上执行的进程定义为RUNNING状态、而将可执行但是尚未被调度执行的进程定义为READY状态,这两种状态在linux下统一为 TASK_RUNNING状态。

Linux进程状态:S (TASK_INTERRUPTIBLE),可中断的睡眠状态。

处于这个状态的进程因为等待某某事件的发生(比如等待socket连接、等待信号量),而被挂起。这些进程的task_struct结构被放入对应事件的等待队列中。当这些事件发生时(由外部中断触发、或由其他进程触发),对应的等待队列中的一个或多个进程将被唤醒。

通过ps命令我们会看到,一般情况下,进程列表中的绝大多数进程都处于TASK_INTERRUPTIBLE状态(除非机器的负载很高)。毕竟CPU就这么一两个,进程动辄几十上百个,如果不是绝大多数进程都在睡眠,CPU又怎么响应得过来。

Linux进程状态:D (TASK_UNINTERRUPTIBLE),不可中断的睡眠状态。

与TASK_INTERRUPTIBLE状态类似,进程处于睡眠状态,但是此刻进程是不可中断的。不可中断,指的并不是CPU不响应外部硬件的中断,而是指进程不响应异步信号。
绝大多数情况下,进程处在睡眠状态时,总是应该能够响应异步信号的。否则你将惊奇的发现,kill -9竟然杀不死一个正在睡眠的进程了!于是我们也很好理解,为什么ps命令看到的进程几乎不会出现TASK_UNINTERRUPTIBLE状态,而总是TASK_INTERRUPTIBLE状态。

而TASK_UNINTERRUPTIBLE状态存在的意义就在于,内核的某些处理流程是不能被打断的。如果响应异步信号,程序的执行流程中就会被插入一段用于处理异步信号的流程(这个插入的流程可能只存在于内核态,也可能延伸到用户态),于是原有的流程就被中断了。(参见《linux内核异步中断浅析》)
在进程对某些硬件进行操作时(比如进程调用read系统调用对某个设备文件进行读操作,而read系统调用最终执行到对应设备驱动的代码,并与对应的物理设备进行交互),可能需要使用TASK_UNINTERRUPTIBLE状态对进程进行保护,以避免进程与设备交互的过程被打断,造成设备陷入不可控的状态。这种情况下的TASK_UNINTERRUPTIBLE状态总是非常短暂的,通过ps命令基本上不可能捕捉到。

linux系统中也存在容易捕捉的TASK_UNINTERRUPTIBLE状态。执行vfork系统调用后,父进程将进入TASK_UNINTERRUPTIBLE状态,直到子进程调用exit或exec(参见《神奇的vfork》)。
通过下面的代码就能得到处于TASK_UNINTERRUPTIBLE状态的进程:

#include   void main() {  if (!vfork()) sleep(100);  }


编译运行,然后ps一下:

kouu@kouu-one:~/test$ ps -ax | grep a\.out  4371 pts/0    D+     0:00 ./a.out  4372 pts/0    S+     0:00 ./a.out  4374 pts/1    S+     0:00 grep a.out


然后我们可以试验一下TASK_UNINTERRUPTIBLE状态的威力。不管kill还是kill -9,这个TASK_UNINTERRUPTIBLE状态的父进程依然屹立不倒。

 

上面一篇文章中我们介绍了Linux进程的R、S、D三种状态,这里接着上面的文章介绍另外三个状态。

Linux进程状态:T (TASK_STOPPED or TASK_TRACED),暂停状态或跟踪状态。

向进程发送一个SIGSTOP信号,它就会因响应该信号而进入TASK_STOPPED状态(除非该进程本身处于TASK_UNINTERRUPTIBLE状态而不响应信号)。(SIGSTOP与SIGKILL信号一样,是非常强制的。不允许用户进程通过signal系列的系统调用重新设置对应的信号处理函数。)
向进程发送一个SIGCONT信号,可以让其从TASK_STOPPED状态恢复到TASK_RUNNING状态。

当进程正在被跟踪时,它处于TASK_TRACED这个特殊的状态。“正在被跟踪”指的是进程暂停下来,等待跟踪它的进程对它进行操作。比如在gdb中对被跟踪的进程下一个断点,进程在断点处停下来的时候就处于TASK_TRACED状态。而在其他时候,被跟踪的进程还是处于前面提到的那些状态。

对于进程本身来说,TASK_STOPPED和TASK_TRACED状态很类似,都是表示进程暂停下来。
而TASK_TRACED状态相当于在TASK_STOPPED之上多了一层保护,处于TASK_TRACED状态的进程不能响应SIGCONT信号而被唤醒。只能等到调试进程通过ptrace系统调用执行PTRACE_CONT、PTRACE_DETACH等操作(通过ptrace系统调用的参数指定操作),或调试进程退出,被调试的进程才能恢复TASK_RUNNING状态。

Linux进程状态:Z (TASK_DEAD - EXIT_ZOMBIE),退出状态,进程成为僵尸进程。

进程在退出的过程中,处于TASK_DEAD状态。

在这个退出过程中,进程占有的所有资源将被回收,除了task_struct结构(以及少数资源)以外。于是进程就只剩下task_struct这么个空壳,故称为僵尸。
之所以保留task_struct,是因为task_struct里面保存了进程的退出码、以及一些统计信息。而其父进程很可能会关心这些信息。比如在shell中,$?变量就保存了最后一个退出的前台进程的退出码,而这个退出码往往被作为if语句的判断条件。
当然,内核也可以将这些信息保存在别的地方,而将task_struct结构释放掉,以节省一些空间。但是使用task_struct结构更为方便,因为在内核中已经建立了从pid到task_struct查找关系,还有进程间的父子关系。释放掉task_struct,则需要建立一些新的数据结构,以便让父进程找到它的子进程的退出信息。

父进程可以通过wait系列的系统调用(如wait4、waitid)来等待某个或某些子进程的退出,并获取它的退出信息。然后wait系列的系统调用会顺便将子进程的尸体(task_struct)也释放掉。
子进程在退出的过程中,内核会给其父进程发送一个信号,通知父进程来“收尸”。这个信号默认是SIGCHLD,但是在通过clone系统调用创建子进程时,可以设置这个信号。

通过下面的代码能够制造一个EXIT_ZOMBIE状态的进程:

#include   void main() {  if (fork())  while(1) sleep(100);  }


编译运行,然后ps一下:

kouu@kouu-one:~/test$ ps -ax | grep a\.out  10410 pts/0    S+     0:00 ./a.out  10411 pts/0    Z+     0:00 [a.out]   10413 pts/1    S+     0:00 grep a.out

只要父进程不退出,这个僵尸状态的子进程就一直存在。那么如果父进程退出了呢,谁又来给子进程“收尸”?
当进程退出的时候,会将它的所有子进程都托管给别的进程(使之成为别的进程的子进程)。托管给谁呢?可能是退出进程所在进程组的下一个进程(如果存在的话),或者是1号进程。所以每个进程、每时每刻都有父进程存在。除非它是1号进程。

1号进程,pid为1的进程,又称init进程。
linux系统启动后,第一个被创建的用户态进程就是init进程。它有两项使命:
1、执行系统初始化脚本,创建一系列的进程(它们都是init进程的子孙);
2、在一个死循环中等待其子进程的退出事件,并调用waitid系统调用来完成“收尸”工作;
init进程不会被暂停、也不会被杀死(这是由内核来保证的)。它在等待子进程退出的过程中处于TASK_INTERRUPTIBLE状态,“收尸”过程中则处于TASK_RUNNING状态。

Linux进程状态:X (TASK_DEAD - EXIT_DEAD),退出状态,进程即将被销毁。

而进程在退出过程中也可能不会保留它的task_struct。比如这个进程是多线程程序中被detach过的进程(进程?线程?参见《linux线程浅析》)。或者父进程通过设置SIGCHLD信号的handler为SIG_IGN,显式的忽略了SIGCHLD信号。(这是posix的规定,尽管子进程的退出信号可以被设置为SIGCHLD以外的其他信号。)
此时,进程将被置于EXIT_DEAD退出状态,这意味着接下来的代码立即就会将该进程彻底释放。所以EXIT_DEAD状态是非常短暂的,几乎不可能通过ps命令捕捉到。

进程的初始状态

进程是通过fork系列的系统调用(fork、clone、vfork)来创建的,内核(或内核模块)也可以通过kernel_thread函数创建内核进程。这些创建子进程的函数本质上都完成了相同的功能——将调用进程复制一份,得到子进程。(可以通过选项参数来决定各种资源是共享、还是私有。)
那么既然调用进程处于TASK_RUNNING状态(否则,它若不是正在运行,又怎么进行调用?),则子进程默认也处于TASK_RUNNING状态。
另外,在系统调用调用clone和内核函数kernel_thread也接受CLONE_STOPPED选项,从而将子进程的初始状态置为 TASK_STOPPED。

进程状态变迁

进程自创建以后,状态可能发生一系列的变化,直到进程退出。而尽管进程状态有好几种,但是进程状态的变迁却只有两个方向——从TASK_RUNNING状态变为非TASK_RUNNING状态、或者从非TASK_RUNNING状态变为TASK_RUNNING状态。
也就是说,如果给一个TASK_INTERRUPTIBLE状态的进程发送SIGKILL信号,这个进程将先被唤醒(进入TASK_RUNNING状态),然后再响应SIGKILL信号而退出(变为TASK_DEAD状态)。并不会从TASK_INTERRUPTIBLE状态直接退出。

进程从非TASK_RUNNING状态变为TASK_RUNNING状态,是由别的进程(也可能是中断处理程序)执行唤醒操作来实现的。执行唤醒的进程设置被唤醒进程的状态为TASK_RUNNING,然后将其task_struct结构加入到某个CPU的可执行队列中。于是被唤醒的进程将有机会被调度执行。

而进程从TASK_RUNNING状态变为非TASK_RUNNING状态,则有两种途径:
1、响应信号而进入TASK_STOPED状态、或TASK_DEAD状态;
2、执行系统调用主动进入TASK_INTERRUPTIBLE状态(如nanosleep系统调用)、或TASK_DEAD状态(如exit系统调用);或由于执行系统调用需要的资源得不到满足,而进入TASK_INTERRUPTIBLE状态或TASK_UNINTERRUPTIBLE状态(如select系统调用)。
显然,这两种情况都只能发生在进程正在CPU上执行的情况下。

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