计算机基础之：平均负载与CPU使用率的关系

想象一下，你的厨房是一个操作系统，厨师是CPU，而菜谱上的任务就是进程。厨房的忙碌程度可以用“平均负载”来衡量，它反映了等待被处理的任务总数加上正在被厨师处理的任务数。而“CPU使用率”则相当于厨师实际在切菜、炒菜的时间比例，即厨师忙碌的具体程度。

平均负载：厨房的排队情况

假设你有一个小厨房，配备了一位高效的大厨（单核CPU）。今天厨房很忙，不断有人来点餐，这就是各种任务（进程）不断产生的情况。平均负载就像是观察到的队伍长度，包括了正在被大厨烹饪的菜品（使用CPU的进程）和等待大厨空闲下来再开始烹饪的订单（等待CPU资源或I/O完成的进程）。

如果队伍（平均负载）很长，说明有很多任务积压，可能是因为大厨一个人忙不过来（CPU饱和），也可能是因为有些食材还没送到（等待I/O），即使大厨空闲也无法开始新的烹饪。

CPU使用率：大厨的手艺展示

现在看CPU使用率，这代表了大厨真正动手做菜的时间占比。如果大厨一直在切、炒，几乎没有停歇（CPU使用率接近100%），说明他非常忙碌，几乎每分每秒都在工作。但如果大厨偶尔停下来擦汗、看手机（CPU使用率较低），则说明他的工作效率没有达到最大。

两者的互动

• 同步忙碌：如果大厨几乎不停手，而且队伍还很长（高平均负载，高CPU使用率），说明厨房非常忙碌，所有的厨师资源都被充分利用，但可能需要增加人手或提高效率来减少顾客等待时间。
• 等待问题：如果队伍长（高平均负载），但大厨却有空闲时间（低CPU使用率），这通常意味着大厨在等待材料（I/O操作），比如烤箱里的蛋糕还没好，他就无法继续下一步，这时候厨房的瓶颈在于外在的资源供应而不是大厨的速度。
• 效率问题：如果队伍不长（低平均负载），大厨也很少有空闲（高CPU使用率），说明厨房管理得当，任务分配合理，但大厨的劳动强度大，可能需要优化流程或考虑增加人手以备不时之需。

通过这个比喻，我们可以更直观地理解平均负载与CPU使用率之间的区别和联系：前者是整体的工作队列长度，后者是主要工作者的实际工作饱和度。两者结合分析，可以更准确地评估和优化系统性能。

即平均负载与CPU使用率的关系比较微妙，主要有如下几种：

• 正相关场景：在CPU密集型的应用场景下，如果大部分进程都在争用CPU资源，那么CPU使用率会很高，同时平均负载也会较高，因为有很多进程在等待或使用CPU。此时，CPU使用率与平均负载呈现正相关。
• 负相关或不直接相关场景：在I/O密集型的应用中，许多进程可能在等待I/O操作完成（比如磁盘读写），此时这些进程虽然不消耗CPU资源，但会增加平均负载，因为它们仍处于不可中断状态。此时，尽管CPU使用率可能不高，但平均负载可能依然较高。
• 理想情况：如果平均负载等于CPU数量，且CPU使用率接近100%，这表明每个CPU都在满负荷工作，系统资源得到充分利用。然而，过高的平均负载（超过CPU数量）可能意味着有进程在等待CPU资源，这可能导致性能瓶颈和响应延迟。