PU 使用率和 CPU 负载

CPU 使用率（CPU Utilization） 和 CPU 负载（CPU Load） 是衡量系统性能的两个关键指标，它们从不同角度反映 CPU 的工作状态，既有联系又有区别。以下是详细解释：

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1. CPU 使用率（CPU Utilization）

定义

• CPU 使用率 表示 CPU 在 单位时间内执行任务的时间占比，通常以百分比表示（如 70%）。
• 计算方式：
  [
  \text{CPU 使用率} = \frac{\text{CPU 忙碌时间}}{\text{总时间}} \times 100%
  ]

分类

• 用户态使用率：CPU 运行用户程序的时间（如应用程序代码）。
• 内核态使用率：CPU 执行内核任务的时间（如系统调用、中断处理）。
• I/O 等待率：CPU 空闲等待 I/O 操作完成的时间（如磁盘读写）。
• 空闲率（Idle）：CPU 完全空闲的时间。

特点

• 瞬时性：反映某一时刻或短时间窗口（如 1 秒）的 CPU 繁忙程度。
• 资源占用视角：高使用率可能表示计算密集型任务（如视频编码）或资源瓶颈。

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2. CPU 负载（CPU Load）

定义

• CPU 负载 表示系统中 处于可运行状态（Runnable）或等待 CPU 的任务队列长度。
• 在 Linux 中，通常通过 平均负载（Load Average） 表示，统计过去 1、5、15 分钟的平均值（如 0.75、1.2、0.5）。

关键点

• 任务队列长度：包括：
  • 正在使用 CPU 的任务。
  • 等待 CPU 调度的任务（就绪队列中的进程）。
  • 等待不可中断 I/O（如磁盘读写）的任务（部分统计标准）。
• 归一化值：若负载为 1.0，表示 CPU 刚好满负荷；>1.0 表示任务积压。

特点

• 累积性：反映一段时间内的任务压力（如 5 分钟负载平滑波动）。
• 系统拥塞视角：高负载可能由 CPU 竞争、I/O 阻塞或进程过多导致。

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3. CPU 使用率 vs. CPU 负载的关系

联系

• 共同反映系统压力：两者数值高通常表示系统繁忙。
• 互相影响：
  • 若 CPU 使用率长期 100%，新任务会积压，导致负载上升。
  • 高负载可能伴随高使用率（如计算密集型任务），但也可能因 I/O 等待导致使用率低而负载高。

区别

指标	CPU 使用率	CPU 负载
衡量对象	CPU 时间片占用比例	任务队列长度（就绪 + 等待）
时间范围	瞬时或短时间窗口（如 1 秒）	较长时间平均值（如 1/5/15 分钟）
数值含义	0%~100%（资源占用率）	无上限（如 4.0 表示 4 个任务积压）
高值场景	计算密集型任务（如数学运算）	CPU 竞争、I/O 阻塞、进程过多
低值误导	使用率低可能因 I/O 等待或空闲	负载低不一定代表无瓶颈（如单核负载 0.5 可能已饱和）

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4. 实际场景分析

场景 1：计算密集型任务

• CPU 使用率：接近 100%。
• CPU 负载：若任务数 ≤ CPU 核心数，负载 ≈ 使用率（如 4 核 CPU 负载 4.0）；若任务数超核心数，负载持续上升。

场景 2：I/O 密集型任务

• CPU 使用率：可能较低（如 30%），因任务常等待 I/O。
• CPU 负载：可能很高（如 10.0），因大量任务阻塞在 I/O 队列。

场景 3：多核 CPU

• 负载解读：若 4 核 CPU 负载为 4.0，表示满负荷；负载 8.0 表示任务积压。
• 使用率：可能 100%（所有核心忙碌）或部分空闲（调度不均）。

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5. 如何查看（Linux 示例）

CPU 使用率

top   # 实时查看 %CPU 列
mpstat -P ALL 1  # 每核心详细使用率

输出示例：

%Cpu(s): 70.0 us, 20.0 sy, 0.0 ni, 10.0 id, 0.0 wa

• us：用户态；sy：内核态；id：空闲；wa：I/O 等待。

CPU 负载

uptime   # 查看 1/5/15 分钟平均负载
cat /proc/loadavg

输出示例：

load average: 1.25, 0.80, 0.50

• 若 CPU 为 4 核，1.25 表示 25% 的额外任务压力。

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6. 总结

• CPU 使用率：回答“CPU 有多忙？”——关注资源占用。
• CPU 负载：回答“有多少任务在等 CPU？”——关注任务积压。
• 联合分析：
  • 高使用率 + 高负载：CPU 是瓶颈（需优化代码或扩容）。
  • 低使用率 + 高负载：可能 I/O 或锁竞争（检查磁盘、网络）。
  • 低负载 + 高使用率：健康状态（如单线程任务满负荷运行）。