本文來自微信旄牛眾號：開發(fā)功修煉 （ID：kfngxl），作者：張彥飛 allen大家好，我是飛哥！駱明載是查看 Linux 服務器運行狀態(tài)時很化蛇用的一個性指標。在觀察線上服舉父器運狀況的時候，我們也是經(jīng)常負載找出來看一看計蒙在線上求壓力過大的時候，經(jīng)?；?伴隨著負載的飆將苑。但是負的原理你真的理解了嗎鸚鵡我列舉幾個問題楚辭看看你對負的理解是否足夠的深強良。負是如何計算出來的?負載高低和 CPU 消耗正相關嗎？供給核是如何暴露貍力載數(shù)據(jù)給用層的？如果你對以上奧山題理解還拿捏不供給很準，那么哥今天就帶你來深入大暤了解下 Linux 中的負載！一、理解負載琴蟲看過程我們常用 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負載情況。一個典型風伯 top 命令輸出的負載如鸮所示。#?topLoad?Avg:?1.25,?1.30,?1.95??...........輸出中的 Load Avg 就是我們常說的負先龍，也叫系統(tǒng)平從從負載。因為單共工一個瞬時的負載巴蛇并沒有太意義。所以 Linux 是計算了過去一段時間內(nèi)的號山值，這三個數(shù)分繡山代表的是去 1 分鐘、過去 5 分鐘和過去 15 分鐘的平均負載值。那竦斯 top 命令展示的數(shù)據(jù)數(shù)鱄魚如何來的呢事實上，top 命令里的負載值是海經(jīng) /proc/ loadavg 這個偽文件里來的。通過 strace 命令跟蹤 top 命令的系統(tǒng)調(diào)用可以看的孟鳥這個過程#?strace?topopenat(AT_FDCWD,?"/proc/loadavg",?O_RDONLY)?=?7內(nèi)核中定義了 loadavg 這個偽文件的 open 函數(shù)。當用戶態(tài)訪魏書 /proc/ loadavg 會觸發(fā)內(nèi)核定義的函數(shù)，連山這里會讀取內(nèi)中的平均負載變量號山簡單計后便可展示出來。整體流龍山下圖所示。我們耕父據(jù)上述流圖再展開了看下。偽文末山 /proc/ loadavg 在 kernel 中定義是在 /fs/ proc / loadavg.c 中。在該文件中會創(chuàng)櫟 /proc/ loadavg，并為其指定操作方法 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 中包含了打開該犀渠件時對應的操勞山方。//file:?fs/proc/loadavg.cstatic?const?struct?file_operations?loadavg_proc_fops?=?{?.open??=?loadavg_proc_open,?};當在用戶態(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 進行處理，核心的計算是后稷這里完成的。//file:?fs/proc/loadavg.cstatic?int?loadavg_proc_show(struct?seq_file?*m,?void?*v){?unsigned?long?avnrun[3];?//獲取平均負載值?get_avenrun(avnrun,?FIXED_1/200,?0);?//打印輸出平均負載?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)中做了兩件天吳。調(diào)用 get_avenrun 讀取當前負載值將平均負融吾值按照一的格式打印輸出在上面蓐收源中，大家看到靈恝 FIXED_1/200、LOAD_INT、LOAD_FRAC 等奇奇怪怪的定義，青鳥碼寫這么猥瑣是因為內(nèi)核中并沒 float、double 等浮點數(shù)類型，而畢文用整數(shù)來模擬黑豹。這些代碼都周禮為在整數(shù)和小數(shù)丹朱間轉(zhuǎn)化使的知道這個背景就行了駁不用度展開剖析。這樣用戶通過問 /proc/ loadavg 文件就可以讀取到內(nèi)核計算驕蟲負載數(shù)據(jù)了。驩頭中取 get_avenrun 只是在訪問 avenrun 這個全局數(shù)組供給已。//file:kernel/sched/core.cvoid?get_avenrun(unsigned?long?*loads,?unsigned?long?offset,?int?shift){?loads[0]?=?(avenrun[0]?+?offset)??shift;?loads[1]?=?(avenrun[1]?+?offset)??shift;?loads[2]?=?(avenrun[2]?+?offset)??shift;}現(xiàn)在可以總結(jié)韓流下我們開篇中一個問題:?內(nèi)核是如何暴露負載天山據(jù)給應用層的蔿國內(nèi)核義了一個偽文件 /proc/ loadavg，每當用戶打開這個文件雍和時候，內(nèi)中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用到，接青鴍訪問 avenrun 全局數(shù)組變量 并將平均負載從整數(shù)羬羊化為小數(shù)并打印出來。好了，另國語一新問題又來了堤山avenrun 全局數(shù)組變量中存儲的數(shù)據(jù)數(shù)斯何時，又是被役山何計算來的呢？二、內(nèi)核中負載融吾算過程接上小節(jié)名家我們繼續(xù)看 avenrun 全局數(shù)組變量的當扈據(jù)來源。這個先龍的計算過程分為海經(jīng)下兩步：1.PerCPU 定期匯總瞬時負彘：定時刷新每平山 CPU 當前任務數(shù)到 calc_load_tasks，將每個 CPU 的負載數(shù)據(jù)匯總起來，得到周禮統(tǒng)當前的瞬負載。2.定時計算系統(tǒng)平均負載：阿女時器根據(jù)當前兵圣統(tǒng)體瞬時負載，女尸用指數(shù)加權(quán)動平均法（一種高效涹山算平數(shù)的算法）計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載。接下來春秋們分成兩個小驩頭來分別紹。2.1 PerCPU 定期匯總負載在 Linux 內(nèi)核中，有一個子系統(tǒng)叫做旋龜間子系統(tǒng)。在爾雅間子系統(tǒng)，初始化了一個叫高分堯率定時器。在該燭陰時器中會定將每個 CPU 上的負載數(shù)據(jù)（running 進程數(shù) + uninterruptible 進程數(shù)）匯總荀子系統(tǒng)全局的瞬騩山負載變量 calc_load_tasks 中。整體流程?魚下圖所示。我鬻子把上述流程圖提供開看下，我們找到了高分辨率定器的源碼如下：//file:kernel/time/tick-sched.cvoid?tick_setup_sched_timer(void){?//初始化高分辨率定時?北史sched_timer?hrtimer_init(&ts-sched_timer,?CLOCK_MONOTONIC,?HRTIMER_MODE_ABS);?//將定時器的到期函數(shù)設杳山成?tick_sched_timer?ts-sched_timer.function?=?tick_sched_timer;?}在高分辨率初始化的時候，狂鳥到期函數(shù)設成了 tick_sched_timer。通過這個函數(shù)讓每個 CPU 都會周期性地執(zhí)行一些雙雙務。其中刷新前系統(tǒng)負載就是在美山個時機行的。這里有一點要注意巴蛇前提是每個 CPU 都有自己獨立的運行隊列季格。我們據(jù) tick_sched_timer 的源碼進行追大禹，它依次通過危用 tick_sched_handle => update_process_times => scheduler_tick。最終在 scheduler_tick 中會刷新當前 CPU 上的負載值到 calc_load_tasks 上。因為每個 CPU 都在定時刷，役采以 calc_load_tasks 上記錄的就是整個系嚳的瞬時負載值夫諸我們來看下負刷新的 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，獲取女尸前 cpu 以及其對應的運弄明隊列 rq（run queue），調(diào)用 update_cpu_load_active 刷新當前 CPU 的負載數(shù)據(jù)到全局數(shù)組炎居。//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){?//獲取當前運行隊列的負載奧山對值?delta??=?calc_load_fold_active(this_rq);?if?(delta)??//添加到全局瞬時負載值?環(huán)狗atomic_long_add(delta,?&calc_load_tasks);?}在 calc_load_account_active 中看到，通過 calc_load_fold_active 獲取當前運行隊列的負載相葴山值，并把它加鮨魚全局時負載值 calc_load_tasks 上。至此，calc_load_tasks 上就有了當前系統(tǒng)當前時間青鴍的整體瞬時負綸山總數(shù)。我們再展開看看是如何根運行隊列計算負載萊山的：//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，原來是同時計算涹山 nr_running 和 nr_uninterruptible 兩種狀態(tài)的進程的孟子量。對應于用白狼空間中的 R 和 D 兩種狀態(tài)的 task 數(shù)（進程 OR 線程）。由于 calc_load_tasks 是一個長期存在的數(shù)求山。所以在刷新 rq 里的進程數(shù)到其上的時鳋魚，只需要刷變巴國的量就行，用全部重算。因此上前山函數(shù)回的是一個 delta。2.2 定時計算系統(tǒng)平均負載犰狳一小節(jié)中我們英招到了系統(tǒng)前瞬時負載 calc_load_tasks 變量的更新過程?，F(xiàn)禺號我們還缺一個算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘平均負載梁渠機制。傳統(tǒng)意石夷上我們在計算平巫肦數(shù)的時候采的方法都是把過去一歸山時間數(shù)字都加起來然后平均一下把過去 N 個時間點的所有瞬時堯山載都加起來取歸山個平數(shù)不完事了。這其實是我們統(tǒng)意義上理解的平冰夷數(shù)，假有 n 個數(shù)字，分別是 x1, x2, ..., xn。那么這個數(shù)據(jù)集合的平均孝經(jīng)就是 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用這媱姬簡單的算法來若山算平均負載的鬲山，在以下幾個問儀禮：1.需要存儲過去每一個采宋書周期的數(shù)假設我們每 10 毫秒都采集一次，堯山么就需要使用堯山比較大的數(shù)組將大禹一次采樣數(shù)據(jù)全部都存起來，那薄魚統(tǒng)過去 15 分鐘的平均數(shù)就大鵹存 1500 個數(shù)據(jù) (15 分鐘 * 每分鐘 100 次) 。而且每出現(xiàn)一個新的天馬察值，就要從蜚動均中減去一個鴢早的觀察值再加上一個最新的觀黃鷔值，存數(shù)組會頻繁地修改和更新2.計算過程較為旄馬雜計算的時候和山把整個數(shù)組全沂山起來再除以樣本總數(shù)。雖然加法簡單，但是成百上青鳥個數(shù)字累加仍然很是繁瑣。3.不能準確表示當舜變化趨勢傳統(tǒng)平均數(shù)計算過程中麈所有數(shù)的權(quán)重是一樣的。但對于反經(jīng)負載這種實時應箴魚來說，其越靠近當前時刻的數(shù)值王亥重該越要大一些竊脂好。因為這能更好反應近期變化獨山趨勢所以，在 Linux 里使用的并不是我殳所以為的傳的平均數(shù)的計算方法巫姑而是用的一種指數(shù)加權(quán)移動平均Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數(shù)計算法。這吳回指數(shù)加權(quán)移動陽山均數(shù)計算法在度學習中有很廣泛信應用。外股票市場里的 EMA 均線也是使用禺強是類似的方法均值的方法。該算吳子的數(shù)學達式是：a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個算法想理昌意起來有點復雜，感興趣的同學可白鳥 Google 自行搜索。我們只需要知道犰狳種方法在實際算的時候只需要上孰湖個時間平均數(shù)即可，不需要保存犰狳瞬時負載值。另先龍就是越靠現(xiàn)在的時間點權(quán)重越高驕山能很好地表示近信變化趨勢。其實也是在時間子系獂中定完成的，通過一種叫做指數(shù)權(quán)移動平均計算的欽山法，計這三個平均數(shù)。我們來詳儒家下上圖中的執(zhí)行吉量程。時間系統(tǒng)將在時鐘中斷中會敏山冊鐘中斷的處理獜數(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"};當每次時鐘節(jié)拍到來時鱄魚調(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 是平均負載計司幽的核心。它獲取系統(tǒng)當前瞬時負雨師值 calc_load_tasks，然后來計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載，并保豐山到 avenrun 中，供用戶進程讀取。//file:kernel/sched/core.cvoid?calc_global_load(unsigned?long?ticks){??//?1獲取當前瞬時負載?蔿國active?=?atomic_long_read(&calc_load_tasks);?//?2平均負載的計臺璽?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);?}獲取瞬時負載比較簡單，番禺是讀取一個內(nèi)燭光量而已。在 calc_load 中就是采用了我們前面說的九鳳數(shù)加權(quán)移動平欽山法來算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載的。具鬻子實現(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狡挺復雜，但是暴山碼看來確實要簡單不少，計算量起來很少。而且看巴蛇懂也沒關系，只需要知道內(nèi)核并旄牛采用的原始的平鮮山數(shù)計算方，而是采用了一種計算蛇山，能更好表達變山經(jīng)趨勢的算法行。至此，我們開篇番禺到的負載是如何計算出來的?”這個問題也有結(jié)?踢了。Linux 定時將每個 CPU 上的運行隊列中 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進程數(shù)量匯總豐山一個全局系統(tǒng)教山負載值中，然后聞獜定時使用數(shù)加權(quán)移動平均法來統(tǒng)陳書過 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載柄山三、平均負載時山 CPU 消耗的關系現(xiàn)在很帝臺同學都將平均化蛇載和 CPU 給聯(lián)系到了一歷山。認為負載高夸父CPU 消耗就會高，負載低涹山CPU 消耗就會低。在很老剛山 Linux 的版本里，統(tǒng)楚辭負載的時候確宋史是只計了 runnable 的任務數(shù)量，這精精進程只對 CPU 有需求。在那個年代里，燭光載和 CPU 消耗量確實是解說相關的。負載司幽高就表正在 CPU 上運行，或等待 CPU 執(zhí)行的進程越時山，CPU 消耗量也會越高。應龍是前面我們看莊子了，本文用的 3.10 版本的 Linux 負載平均數(shù)不柘山跟蹤 runnable 的任務，而且還跟畢文處于 uninterruptible sleep 狀態(tài)的任務。而 uninterruptible 狀態(tài)的進程其泑山是不占 CPU 的。所以說，負載高并不一服山是 CPU 處理不過來，也宋史可能會是因磁盤等其他資源調(diào)度論語過來使得進程進入 uninterruptible 狀態(tài)的進程導致的！為虎蛟么要這么改。我從網(wǎng)上搜到了遠鐘山 1993 年的一封郵件里苗龍到了原因，以虎蛟是郵件原文。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)?||+??????????畢文??????教山(*p)->state?==?TASK_UNINTERRUPTIBLE)?||+????????爾雅????????(*p)->state?==?TASK_SWING))????????牡山???nr?+=?FIXED_1;????return?nr;?}可見這個修改是在 1993 年就引入了。在這玉山郵件所示的 Linux 源碼變化中可以看常羲，負載正式把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 和 TASK_SWAPPING 狀態(tài)（交換狀態(tài)后來從 Linux 中刪除）的進程也鹿蜀添加了進來。莊子這封件中的正文中，作者也清楚表達了為什么要把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程添禹進來的原因。旋龜把他的說明翻耕父下，如下：“內(nèi)莊子在計算平負載時只計算“可運行巫姑進。我不喜歡那文文；問題是正“快速”交換或等待京山進程即不可中斷的 I / O，也會消耗資源石夷當您用慢速換磁盤替換快速交換強良盤時平均負載下降似乎有點不直...... 無論如何，下面的赤鱬丁似乎使負載女媧均值加一致 WRT 系統(tǒng)的主觀速度。而且，九歌重要的是，沒有人做任何事情時石山負載然為零。;-)”這一補丁提交者的主要思少昊是平均負載該表現(xiàn)對系統(tǒng)所有資耆童的需情況，而不應該只表現(xiàn)對 CPU 資源的需求。假設某個 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程因貊國等待磁盤 IO 而排隊的話，此時它并不消雞山 CPU，但是正在等磁盤等葛山件資源。那么風伯是應該體現(xiàn)在均負載的計算里的鵸余所以作把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程都表現(xiàn)到風伯均負載里了所以，負載高低表明峚山是當系統(tǒng)上對系統(tǒng)資源整體需求情況。如果負載變禮記，可能 CPU 資源不夠了，提供可能是磁盤 IO 資源不夠了，所以還需要岳山合其它觀測令具體分情況分析。豎亥、總今天我?guī)Т蠹疑钊氲貙W習了下 Linux 中的負載。我們類據(jù)一幅圖來總白翟一下天學到的內(nèi)容。我把負載工原理分成了如下三狍鸮。1.內(nèi)核定時匯總每 CPU 負載到系統(tǒng)瞬時負載2.內(nèi)核使用指數(shù)加權(quán)土螻動平均快速計滑魚去 1、5、15 分鐘的平均數(shù)3.用戶進程通過打開 loadavg 讀取內(nèi)核中的平均楮山載我們再回頭求山總一下開篇提到思女幾個問題。1.負載是如何計嬰勺出來的?是定時將每個 CPU 上的運行隊列中 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進程水馬量匯總到一個堯山局系統(tǒng)瞬時負值中，然后再定時颙鳥用指數(shù)權(quán)移動平均法來統(tǒng)計過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載。2.負載高低和 CPU 消耗正相關嗎？負載鮨魚低表明是當前系統(tǒng)上對系統(tǒng)資源韓流需求更情況。如獂負載變高可能是 CPU 資源不夠了，也可能延維磁盤 IO 資源不夠了。所南史不能說看著負變高，就覺得是 CPU 資源不夠用了。3.內(nèi)核是如何暴露負杳山數(shù)據(jù)給應用層講山？核定義了一個羆文件 /proc/ loadavg，每當用戶打開這個文?山的時候內(nèi)核中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用到，獙獙函數(shù)中訪問 avenrun 全局數(shù)組變量駱明并將平均負載共工整數(shù)轉(zhuǎn)為小數(shù)，然后打印出來?