王永超劉丹
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祝肇隆 : 本文來自微公眾號：開內(nèi)功修煉 （ID：kfngxl），作者：張彥飛 allen大家好，我是哥！負(fù)載是看 Linux 服務(wù)器運(yùn)行狀態(tài)時很用的一個性指標(biāo)。在觀線上服務(wù)器行狀況的時，我們也是常把負(fù)載找來看一看。線上請求壓過大的時候經(jīng)常是也伴著負(fù)載的飆。但是負(fù)載原理你真的解了嗎？我列舉幾個問，看看你對載的理解是足夠的深刻負(fù)載是如何算出來的?負(fù)載高低和 CPU 消耗正相關(guān)嗎？內(nèi)是如何暴露載數(shù)據(jù)給應(yīng)層的？如果對以上問題理解還拿捏是很準(zhǔn)，那飛哥今天就你來深入地解一下 Linux 中的負(fù)載！一、解負(fù)載查看程我們經(jīng)常 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負(fù)載情況一個典型的 top 命令輸出的負(fù)載下所示。#?topLoad?Avg:?1.25,?1.30,?1.95??...........輸出中的 Load Avg 就是我們常說的負(fù)載也叫系統(tǒng)平負(fù)載。因?yàn)?純某一個瞬的負(fù)載值并有太大意義所以 Linux 是計(jì)算了過去一段間內(nèi)的平均，這三個數(shù)別代表的是去 1 分鐘、過去 5 分鐘和過去 15 分鐘的平均負(fù)載值那么 top 命令展示的數(shù)據(jù)數(shù)是如來的呢？事上，top 命令里的負(fù)值是從 /proc/ loadavg 這個偽文件里來的。通 strace 命令跟蹤 top 命令的系統(tǒng)調(diào)可以看的到個過程。#?strace?topopenat(AT_FDCWD,?"/proc/loadavg",?O_RDONLY)?=?7內(nèi)核中定義了 loadavg 這個偽文件 open 函數(shù)。當(dāng)用態(tài)訪問 /proc/ loadavg 會觸發(fā)內(nèi)核定義的函數(shù)在這里會讀內(nèi)核中的平負(fù)載變量，單計(jì)算后便展示出來。體流程如下所示。我們據(jù)上述流程再展開了看。偽文件 /proc/ loadavg 在 kernel 中定義是在 /fs/ proc / loadavg.c 中。在該文件中會建 /proc/ loadavg，并為其指定操方法 loadavg_proc_fops。//file:?fs/proc/loadavg.cstatic?int?__init?proc_loadavg_init(void){?proc_create("loadavg",?0,?NULL,?&loadavg_proc_fops);?return?0;}在 loadavg_proc_fops 中包含了打開該件時對應(yīng)的作方法。//file:?fs/proc/loadavg.cstatic?const?struct?file_operations?loadavg_proc_fops?=?{?.open??=?loadavg_proc_open,?};當(dāng)在用戶態(tài)打開 /proc/ loadavg 文件時，都會調(diào)用 loadavg_proc_fops 中的 open 函數(shù)指針 - loadavg_proc_open。loadavg_proc_open 接下來會調(diào)用 loadavg_proc_show 進(jìn)行處理，核心的算是在這里成的。//file:?fs/proc/loadavg.cstatic?int?loadavg_proc_show(struct?seq_file?*m,?void?*v){?unsigned?long?avnrun[3];?//獲取平均負(fù)值?get_avenrun(avnrun,?FIXED_1/200,?0);?//打印輸出平均載?seq_printf(m,?"%lu.%02lu?%lu.%02lu?%lu.%02lu?%ld/%d?%d\n",??LOAD_INT(avnrun[0]),?LOAD_FRAC(avnrun[0]),??LOAD_INT(avnrun[1]),?LOAD_FRAC(avnrun[1]),??LOAD_INT(avnrun[2]),?LOAD_FRAC(avnrun[2]),??nr_running(),?nr_threads,??task_active_pid_ns(current)-last_pid);?return?0;}在 loadavg_proc_show 函數(shù)中做了兩件事。用 get_avenrun 讀取當(dāng)前負(fù)載值將平負(fù)載值按照定的格式打輸出在上面源碼中，大看到了 FIXED_1/200、LOAD_INT、LOAD_FRAC 等奇奇怪怪的義，代碼寫這么猥瑣是為內(nèi)核中并有 float、double 等浮點(diǎn)數(shù)類型，而用整數(shù)來模的。這些代都是為了在數(shù)和小數(shù)之轉(zhuǎn)化使的。道這個背景行了，不用度展開剖析這樣用戶通訪問 /proc/ loadavg 文件就可以取到內(nèi)核計(jì)的負(fù)載數(shù)據(jù)。其中獲取 get_avenrun 只是在訪問 avenrun 這個全局?jǐn)?shù)組而已。//file:kernel/sched/core.cvoid?get_avenrun(unsigned?long?*loads,?unsigned?long?offset,?int?shift){?loads[0]?=?(avenrun[0]?+?offset)? update_process_times => scheduler_tick。最終在 scheduler_tick 中會刷新當(dāng)前 CPU 上的負(fù)載值到 calc_load_tasks 上。因?yàn)槊? CPU 都在定時刷，以 calc_load_tasks 上記錄的就整個系統(tǒng)的時負(fù)載值。們來看下負(fù)刷新的 scheduler_tick 這個核心函數(shù)://file:kernel/sched/core.cvoid?scheduler_tick(void){?int?cpu?=?smp_processor_id();?struct?rq?*rq?=?cpu_rq(cpu);?update_cpu_load_active(rq);?}在這個函數(shù)中獲取當(dāng)前 cpu 以及其對應(yīng)的運(yùn)行列 rq（run queue），調(diào)用 update_cpu_load_active 刷新當(dāng)前 CPU 的負(fù)載數(shù)據(jù)到全局組中。//file:kernel/sched/core.cstatic?void?update_cpu_load_active(struct?rq?*this_rq){??calc_load_account_active(this_rq);}//file:kernel/sched/core.cstatic?void?calc_load_account_active(struct?rq?*this_rq){?//獲取當(dāng)前運(yùn)行隊(duì)列負(fù)載相對?delta??=?calc_load_fold_active(this_rq);?if?(delta)??//添加到全局瞬時負(fù)載??atomic_long_add(delta,?&calc_load_tasks);?}在 calc_load_account_active 中看到，通過 calc_load_fold_active 獲取當(dāng)前運(yùn)行隊(duì)的負(fù)載相對，并把它加全局瞬時負(fù)值 calc_load_tasks 上。至此，calc_load_tasks 上就有了當(dāng)前系統(tǒng)前時間下的體瞬時負(fù)載數(shù)了。我們展開看看是何根據(jù)運(yùn)行列計(jì)算負(fù)載的：//file:kernel/sched/core.cstatic?long?calc_load_fold_active(struct?rq?*this_rq){?long?nr_active,?delta?=?0;?//?R?和?D?狀態(tài)的用戶?task?nr_active?=?this_rq-nr_running;?nr_active?+=?(long)?this_rq-nr_uninterruptible;?//?只返回變化的量?if?(nr_active?!=?this_rq-calc_load_active)?{??delta?=?nr_active?-?this_rq-calc_load_active;??this_rq-calc_load_active?=?nr_active;?}?return?delta;}哦，原來是同時計(jì)算 nr_running 和 nr_uninterruptible 兩種狀態(tài)的進(jìn)程的量。對應(yīng)于戶空間中的 R 和 D 兩種狀態(tài)的 task 數(shù)（進(jìn)程 OR 線程）。由于 calc_load_tasks 是一個長期在的數(shù)據(jù)。以在刷新 rq 里的進(jìn)程數(shù)到其上的候，只需要變化的量就，不用全部算。因此上函數(shù)返回的一個 delta。2.2 定時計(jì)算系統(tǒng)平均負(fù)載一小節(jié)中我找到了系統(tǒng)前瞬時負(fù)載 calc_load_tasks 變量的更新過程現(xiàn)在我們還一個計(jì)算過 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘平均負(fù)載的機(jī)制傳統(tǒng)意義上我們在計(jì)算均數(shù)的時候取的方法都把過去一段間的數(shù)字都起來然后平一下。把過 N 個時間點(diǎn)的所有瞬負(fù)載都加起取一個平均不完事了。其實(shí)是我們統(tǒng)意義上理的平均數(shù)，如有 n 個數(shù)字，分別 x1, x2, ..., xn。那么這個數(shù)據(jù)合的平均數(shù)是 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用這種簡的算法來計(jì)平均負(fù)載的，存在以下個問題：1.需要存儲過每一個采樣期的數(shù)據(jù)假我們每 10 毫秒都采集一次，那么需要使用一比較大的數(shù)將每一次采的數(shù)據(jù)全部存起來，那統(tǒng)計(jì)過去 15 分鐘的平均數(shù)就得存 1500 個數(shù)據(jù) (15 分鐘 * 每分鐘 100 次) 。而且每出現(xiàn)個新的觀察，就要從移平均中減去個最早的觀值，再加上個最新的觀值，內(nèi)存數(shù)會頻繁地修和更新。2.計(jì)算過程較復(fù)雜計(jì)算的候再把整個組全加起來再除以樣本數(shù)。雖然加很簡單，但成百上千個字的累加仍很是繁瑣。3.不能準(zhǔn)確表示當(dāng)前變化勢傳統(tǒng)的平數(shù)計(jì)算過程，所有數(shù)字權(quán)重是一樣。但對于平負(fù)載這種實(shí)應(yīng)用來說，實(shí)越靠近當(dāng)時刻的數(shù)值重應(yīng)該越要一些才好。為這樣能更反應(yīng)近期變的趨勢。所，在 Linux 里使用的并不是我所以為的傳的平均數(shù)的算方法，而采用的一種數(shù)加權(quán)移動均（Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數(shù)算法。這種數(shù)加權(quán)移動均數(shù)計(jì)算法深度學(xué)習(xí)中很廣泛的應(yīng)。另外股票場里的 EMA 均線也是使用的是類的方法求均的方法。該法的數(shù)學(xué)表式是：a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個算法想理解起有點(diǎn)小復(fù)雜感興趣的同可以 Google 自行搜索。我們需要知道這方法在實(shí)際算的時候只要上一個時的平均數(shù)即，不需要保所有瞬時負(fù)值。另外就越靠近現(xiàn)在時間點(diǎn)權(quán)重高，能夠很地表示近期化趨勢。這實(shí)也是在時子系統(tǒng)中定完成的，通一種叫做指加權(quán)移動平計(jì)算的方法計(jì)算這三個均數(shù)。我們詳細(xì)看下上中的執(zhí)行過。時間子系將在時鐘中中會注冊時中斷的處理數(shù)為 timer_interrupt 。//file:arch/ia64/kernel/time.cvoid?__inittime_init?(void){?register_percpu_irq(IA64_TIMER_VECTOR,?&timer_irqaction);?ia64_init_itm();}static?struct?irqaction?timer_irqaction?=?{?.handler?=?timer_interrupt,?.flags?=?IRQF_DISABLED?|?IRQF_IRQPOLL,?.name?=??"timer"};當(dāng)每次時鐘節(jié)拍到來時調(diào)用到 timer_interrupt，依次會調(diào)用到 do_timer 函數(shù)。//file:kernel/time/timekeeping.cvoid?do_timer(unsigned?long?ticks){???calc_global_load(ticks);}其中 calc_global_load 是平均負(fù)載計(jì)算核心。它會取系統(tǒng)當(dāng)前時負(fù)載值 calc_load_tasks，然后來計(jì)算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均載，并保存 avenrun 中，供用戶進(jìn)程讀。//file:kernel/sched/core.cvoid?calc_global_load(unsigned?long?ticks){??//?1獲取當(dāng)前瞬時負(fù)值?active?=?atomic_long_read(&calc_load_tasks);?//?2平均負(fù)載的計(jì)算?avenrun[0]?=?calc_load(avenrun[0],?EXP_1,?active);?avenrun[1]?=?calc_load(avenrun[1],?EXP_5,?active);?avenrun[2]?=?calc_load(avenrun[2],?EXP_15,?active);?}獲取瞬時負(fù)載比簡單，就是取一個內(nèi)存量而已。在 calc_load 中就是采用了我前面說的指加權(quán)移動平法來計(jì)算過 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負(fù)載的。體實(shí)現(xiàn)的代如下：//file:kernel/sched/core.c/*?*?a1?=?a0?*?e?+?a?*?(1?-?e)?*/static?unsigned?longcalc_load(unsigned?long?load,?unsigned?long?exp,?unsigned?long?active){?load?*=?exp;?load?+=?active?*?(FIXED_1?-?exp);?load?+=?1UL?<>?FSHIFT;}雖然這個算法理解起來復(fù)雜，但是碼看起來確要簡單不少計(jì)算量看起很少。而且不懂也沒有系，只需要道內(nèi)核并不采用的原始平均數(shù)計(jì)算法，而是采了一種計(jì)算，且能更好達(dá)變化趨勢算法就行。此，我們開提到的“負(fù)是如何計(jì)算來的?”這個問題也有結(jié)了。Linux 定時將每個 CPU 上的運(yùn)行隊(duì)中 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進(jìn)程數(shù)匯總到一個局系統(tǒng)瞬時載值中，然再定時使用數(shù)加權(quán)移動均法來統(tǒng)計(jì)去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負(fù)載。、平均負(fù)載 CPU 消耗的關(guān)系現(xiàn)很多同學(xué)都平均負(fù)載和 CPU 給聯(lián)系到了一起認(rèn)為負(fù)載高CPU 消耗就會高，負(fù)低，CPU 消耗就會低在很老的 Linux 的版本里，統(tǒng)負(fù)載的時候實(shí)是只計(jì)算 runnable 的任務(wù)數(shù)量，這進(jìn)程只對 CPU 有需求。在那個年里，負(fù)載和 CPU 消耗量確實(shí)是正關(guān)的。負(fù)載高就表示正 CPU 上運(yùn)行，或等 CPU 執(zhí)行的進(jìn)程越，CPU 消耗量也會越。但是前面們看到了，文使用的 3.10 版本的 Linux 負(fù)載平均數(shù)不僅跟蹤 runnable 的任務(wù)，而且還跟處于 uninterruptible sleep 狀態(tài)的任務(wù)。而 uninterruptible 狀態(tài)的進(jìn)程其實(shí)是不占 CPU 的。所以說，負(fù)高并一定是 CPU 處理不過來，也可能會是因磁盤等其他源調(diào)度不過而使得進(jìn)程入 uninterruptible 狀態(tài)的進(jìn)程致的！為什要這么修改我從網(wǎng)上搜了遠(yuǎn)在 1993 年的一封郵件里找了原因，以是郵件原文From:?Matthias?Urlichs?Subject:?Load?average?broken??Date:?Fri,?29?Oct?1993?11:37:23?+0200??The?kernel?only?counts?"runnable"?processes?when?computing?the?load?average.I?don't?like?that;?the?problem?is?that?processes?which?are?swing?orwaiting?on?"fast",?i.e.?noninterruptible,?I/O,?also?consume?resources.?It?seems?somewhat?nonintuitive?that?the?load?average?goes?down?when?youreplace?your?fast?swap?disk?with?a?slow?swap?disk...?Anyway,?the?following?patch?seems?to?make?the?load?average?much?moreconsistent?WRT?the?subjective?speed?of?the?system.?And,?most?important,?theload?is?still?zero?when?nobody?is?doing?anything.?;-)---?kernel/sched.c.orig?Fri?Oct?29?10:31:11?1993+++?kernel/sched.c??Fri?Oct?29?10:32:51?1993@@?-414,7?+414,9?@@????unsigned?long?nr?=?0;?????for(p?=?&LAST_TASK;?p?>?&FIRST_TASK;?--p)-???????if?(*p?&&?(*p)->state?==?TASK_RUNNING)+???????if?(*p?&&?((*p)->state?==?TASK_RUNNING)?||+????????????????(*p)->state?==?TASK_UNINTERRUPTIBLE)?||+????????????????(*p)->state?==?TASK_SWING))???????????nr?+=?FIXED_1;????return?nr;?}可見這個修改在 1993 年就引入了。在這封郵所示的 Linux 源碼變化中可以到，負(fù)載正把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 和 TASK_SWAPPING 狀態(tài)（交換狀態(tài)后從 Linux 中刪除）的進(jìn)程也給加了進(jìn)來。這封郵件中正文中，作也清楚地表了為什么要 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進(jìn)程添加來的原因。把他的說明譯一下，如：“內(nèi)核在算平均負(fù)載只計(jì)算“可行”進(jìn)程。不喜歡那樣問題是正在快速”交換等待的進(jìn)程即不可中斷 I / O，也會消耗源。當(dāng)您用速交換磁盤換快速交換盤時，平均載下降似乎點(diǎn)不直觀...... 無論如何，下的補(bǔ)丁似乎負(fù)載平均值加一致 WRT 系統(tǒng)的主觀速度。而，最重要的，當(dāng)沒有人任何事情時負(fù)載仍然為。;-)”這一補(bǔ)丁提交的主要思想平均負(fù)載應(yīng)表現(xiàn)對系統(tǒng)有資源的需情況，而不該只表現(xiàn)對 CPU 資源的需求。假某個 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進(jìn)程為等待磁盤 IO 而排隊(duì)的話，此時并不消耗 CPU，但是正在等磁盤等件資源。那它是應(yīng)該體在平均負(fù)載計(jì)算里的。以作者把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進(jìn)程都表現(xiàn)到均負(fù)載里了所以，負(fù)載低表明的是前系統(tǒng)上對統(tǒng)資源整體求更情況。果負(fù)載變高可能是 CPU 資源不夠了，也可能磁盤 IO 資源不夠了所以還需要合其它觀測令具體分情分析。四、結(jié)今天我?guī)?家深入地學(xué)了一下 Linux 中的負(fù)載。我們據(jù)一幅圖來結(jié)一下今天到的內(nèi)容。把負(fù)載工作理分成了如三步。1.內(nèi)核定時匯總 CPU 負(fù)載到系統(tǒng)瞬負(fù)載2.內(nèi)核使用指數(shù)加移動平均快計(jì)算過去 1、5、15 分鐘的平均3.用戶進(jìn)程通過打開 loadavg 讀取內(nèi)核中的平均負(fù)載們再回頭來結(jié)一下開篇到的幾個問。1.負(fù)載是如何計(jì)算出的?是定時將每個 CPU 上的運(yùn)行隊(duì)列中 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進(jìn)程量匯總到一全局系統(tǒng)瞬負(fù)載值中，后再定時使指數(shù)加權(quán)移平均法來統(tǒng)過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負(fù)載2.負(fù)載高低和 CPU 消耗正相關(guān)？負(fù)載高低明的是當(dāng)前統(tǒng)上對系統(tǒng)源整體需求情況。如果載變高，可是 CPU 資源不夠了也可能是磁 IO 資源不夠了。所不能說看著載變高，就得是 CPU 資源不夠用了。3.內(nèi)核是如何暴露載數(shù)據(jù)給應(yīng)層的？內(nèi)核義了一個偽件 /proc/ loadavg，每當(dāng)用戶打開個文件的時，內(nèi)核中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被用到，該函中訪問 avenrun 全局?jǐn)?shù)組變，并將平均載從整數(shù)轉(zhuǎn)為小數(shù)，然打印出來?
劉子赫
袁慧玲
