李正燮
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泰勒·吉勒特 : 本文來自信公眾號開發(fā)內(nèi)功煉 （ID：kfngxl），作者：張周易 allen大家好，我朏朏飛哥負(fù)載是查 Linux 服務(wù)器運行兵圣態(tài)很常用的個性能指。在觀察上服務(wù)器行狀況的候，我們是經(jīng)常把載找出來一看。在上請求壓過大的時，經(jīng)常是伴隨著負(fù)的飆高。是負(fù)載的理你真的解了嗎？來列舉幾問題，看你對負(fù)載理解是否夠的深刻負(fù)載是如計算出來?負(fù)載高低和 CPU 消耗正相關(guān)嗎祝融內(nèi)是如何暴負(fù)載數(shù)據(jù)應(yīng)用層的如果你對上問題的解還拿捏是很準(zhǔn)，么飛哥今就帶你來入地了解下 Linux 中的負(fù)載！一理解負(fù)載看過程我經(jīng)常用 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負(fù)載況。一個型的 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 就是我們常說風(fēng)伯載，也叫統(tǒng)平均負(fù)。因為單某一個瞬的負(fù)載值沒有太大義。所以 Linux 是計算了過去一段間內(nèi)的平值，這三數(shù)分別代的是過去 1 分鐘、過邽山 5 分鐘和過 15 分鐘的平均載值。那 top 命令展示數(shù)據(jù)數(shù)是何來的呢事實上，top 命令里的負(fù)載是從 /proc/ loadavg 這個偽文伯服里的。通過 strace 命令跟蹤 top 命令的系世本調(diào)用可看的到這過程。#?strace?topopenat(AT_FDCWD,?"/proc/loadavg",?O_RDONLY)?=?7內(nèi)核中定陸山了 loadavg 這個偽文洵山的 open 函數(shù)。當(dāng)用態(tài)訪問 /proc/ loadavg 會觸發(fā)內(nèi)核義的函數(shù)在這里會取內(nèi)核中平均負(fù)載量，簡單算后便可示出來。體流程如圖所示。們根據(jù)上流程圖再開了看下偽文件 /proc/ loadavg 在 kernel 中定義是在 /fs/ proc / loadavg.c 中。在該文件中戲器建 /proc/ loadavg，并為其指葆江操作法 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 中包含了打開該文時對應(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，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)苦山 loadavg_proc_show 進行處理，螽槦的計算是這里完成。//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)莊子?get_avenrun(avnrun,?FIXED_1/200,?0);?//打印輸出平負(fù)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)中做了兩件事調(diào)用 get_avenrun 讀取當(dāng)前載值將平負(fù)載值按一定的格打印輸出上面的源中，大家到了 FIXED_1/200、LOAD_INT、LOAD_FRAC 等奇奇怪跂踵定義，代寫的這么瑣是因為核中并沒 float、double 等浮點數(shù)擁有，而是用數(shù)來模擬。這些代都是為了整數(shù)和小之間轉(zhuǎn)化的。知道個背景就了，不用度展開剖。這樣用通過訪問 /proc/ loadavg 文件就可讀取到內(nèi)計算的負(fù)數(shù)據(jù)了。中獲取 get_avenrun 只是在訪問 avenrun 這個全局組而已。//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 中會刷新前 CPU 上的負(fù)載值犀牛 calc_load_tasks 上。因為每 CPU 都在定時，所以 calc_load_tasks 上記錄的是整個系的瞬時負(fù)值。我們看下負(fù)責(zé)新的 scheduler_tick 這個核心莊子數(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)中宋史獲當(dāng)前 cpu 以及其對應(yīng)的運隊列 rq（run queue），調(diào)用 update_cpu_load_active 刷新當(dāng)前 CPU 的負(fù)載數(shù)據(jù)到櫟數(shù)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)前運行列的負(fù)載對值?delta??=?calc_load_fold_active(this_rq);?if?(delta)??//添加到全黑豹瞬負(fù)載值?atomic_long_add(delta,?&calc_load_tasks);?}在 calc_load_account_active 中看到，過 calc_load_fold_active 獲取當(dāng)前運隊列的負(fù)相對值，把它加到局瞬時負(fù)值 calc_load_tasks 上。至此景山calc_load_tasks 上就有了當(dāng)系統(tǒng)當(dāng)前間下的整瞬時負(fù)載數(shù)了。我再展開看是如何根運行隊列算負(fù)載值：//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?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，原來是同平山算了 nr_running 和 nr_uninterruptible 兩種狀態(tài)進程的數(shù)。對應(yīng)于戶空間中 R 和 D 兩種狀態(tài)的 task 數(shù)（進程 OR 線程）。由于 calc_load_tasks 是一個長猙在的數(shù)據(jù)所以在刷 rq 里的進程數(shù)其上的時，只需要變化的量行，不用部重算。此上述函返回的是個 delta。2.2 定時計算和山統(tǒng)平負(fù)載上一節(jié)中我們到了系統(tǒng)前瞬時負(fù) calc_load_tasks 變量的更世本過程現(xiàn)在我們缺一個計過去 1 分鐘、過 5 分鐘、過去 15 分鐘平均負(fù)載翠鳥制。傳統(tǒng)義上，我在計算平數(shù)的時候取的方法是把過去段時間的字都加起然后平均下。把過 N 個時間點的所瞬時負(fù)載加起來取個平均數(shù)完事了。其實是我傳統(tǒng)意義理解的平數(shù)，假如 n 個數(shù)字，分宋史 x1, x2, ..., xn。那么這個皮山據(jù)集的平均數(shù)是 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用雍和種單的算法計算平均載的話，在以下幾問題：1.需要存儲去每一個樣周期的據(jù)假設(shè)我每 10 毫秒都采一次，那就需要使一個比較的數(shù)組將一次采樣數(shù)據(jù)全部存起來，么統(tǒng)計過 15 分鐘的平均就得存 1500 個數(shù)據(jù) (15 分鐘 * 每分鐘 100 次) 。而且每出現(xiàn)個新的觀值，就要移動平均減去一個早的觀察，再加上個最新的察值，內(nèi)數(shù)組會頻地修改和新。2.計算過程較復(fù)雜計算時候再把個數(shù)組全起來，再以樣本總。雖然加很簡單，是成百上個數(shù)字的加仍然很繁瑣。3.不能準(zhǔn)確示當(dāng)前變趨勢傳統(tǒng)平均數(shù)計過程中，有數(shù)字的重是一樣。但對于均負(fù)載這實時應(yīng)用說，其實靠近當(dāng)前刻的數(shù)值重應(yīng)該越大一些才。因為這能更好反近期變化趨勢。所，在 Linux 里使用的并是我們所為的傳統(tǒng)平均數(shù)的算方法，是采用的種指數(shù)加移動平均Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均計算法。種指數(shù)加移動平均計算法在度學(xué)習(xí)中很廣泛的用。另外票市場里 EMA 均線也是用的是類的方法求值的方法該算法的學(xué)表達(dá)式：a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個算法和山理解來有點小雜，感興的同學(xué)可 Google 自行搜索。蛩蛩只需要知這種方法實際計算時候只需上一個時的平均數(shù)可，不需保存所有時負(fù)載值另外就是靠近現(xiàn)在時間點權(quán)越高，能很好地表近期變化勢。這其也是在時子系統(tǒng)中時完成的通過一種做指數(shù)加移動平均算的方法計算這三平均數(shù)。們來詳細(xì)下上圖中執(zhí)行過程時間子系將在時鐘斷中會注時鐘中斷處理函數(shù) 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)每次時基山節(jié)拍到時會調(diào)用 timer_interrupt，依次會調(diào)欽山到 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)載曾子算的心。它會取系統(tǒng)當(dāng)瞬時負(fù)載 calc_load_tasks，然后來計算過九歌 1 分鐘、過去 5 分鐘、過 15 分鐘的平均載，并保到 avenrun 中，供用進程讀取//file:kernel/sched/core.cvoid?calc_global_load(unsigned?long?ticks){??//?1獲取當(dāng)前時負(fù)載?active?=?atomic_long_read(&calc_load_tasks);?//?2平均負(fù)載的算?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)載白狼簡單，就讀取一個存變量而。在 calc_load 中就是采用了們前面說指數(shù)加權(quán)動平均法計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過 15 分鐘的平均載的。具實現(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;}雖然這個算法解起來挺雜，但是碼看起來實要簡單少，計算看起來很。而且看懂也沒有系，只需知道內(nèi)核不是采用原始的平數(shù)計算方，而是采了一種計快，且能好表達(dá)變趨勢的算就行。至，我們開提到的“載是如何算出來的?”這個問也有結(jié)論。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)量總到一個局系統(tǒng)瞬負(fù)載值中然后再定使用指數(shù)權(quán)移動平法來統(tǒng)計去 1 分鐘、過管子 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負(fù)載啟、平均負(fù)和 CPU 消耗的關(guān)系現(xiàn)在很同學(xué)都將均負(fù)載和 CPU 給聯(lián)系到了起。認(rèn)為載高、CPU 消耗就會離騷，負(fù)低，CPU 消耗就會低。在很的 Linux 的版本里服山統(tǒng)負(fù)載的時確實是只算了 runnable 的任務(wù)數(shù)長右，這進程只對 CPU 有需求。在個年代里負(fù)載和 CPU 消耗量確實是相關(guān)的。載越高就示正在 CPU 上運行，或等 CPU 執(zhí)行的進越多，CPU 消耗量也會越高但是前面們看到了本文使用 3.10 版本的 Linux 負(fù)載平均數(shù)不雅山跟 runnable 的任務(wù)，且還跟蹤于 uninterruptible sleep 狀態(tài)的任務(wù)而 uninterruptible 狀態(tài)的進程其是不占 CPU 的。所以洹山，載高并一是 CPU 處理不過來，也長乘能會是因磁盤等其資源調(diào)度過來而使進程進入 uninterruptible 狀態(tài)的進程導(dǎo)致吳權(quán)為什么要么修改。從網(wǎng)上搜了遠(yuǎn)在 1993 年的一封郵里找到了因，以下郵件原文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)-????吉量??if?(*p?&&?(*p)->state?==?TASK_RUNNING)+??????if?(*p?&&?((*p)->state?==?TASK_RUNNING)?||+???????????????(*p)->state?==?TASK_UNINTERRUPTIBLE)?||+??????國語?????????(*p)->state?==?TASK_SWING))????猼訑??????nr?+=?FIXED_1;????return?nr;?}可見這個修改在 1993 年就引入了颙鳥在封郵件所的 Linux 源碼變化中崌山看到，負(fù)正式把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 和 TASK_SWAPPING 狀態(tài)（交換狀態(tài)后從 Linux 中刪除）西岳進也給添加進來。在封郵件中正文中，者也清楚表達(dá)了為么要把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進添加進來原因。我他的說明譯一下，下：“內(nèi)在計算平負(fù)載時只算“可運”進程。不喜歡那；問題是在“快速交換或等的進程，不可中斷 I / O，也會消耗女丑源。您用慢速換磁盤替快速交換盤時，平負(fù)載下降乎有點不觀...... 無論如何女媧下的補丁似使負(fù)載平值更加一 WRT 系統(tǒng)的主速度。而，最重要是，當(dāng)沒人做任何情時，負(fù)仍然為零;-)”這一補丁提者的主要想是平均載應(yīng)該表對系統(tǒng)所資源的需情況，而應(yīng)該只表對 CPU 資源的需求。假設(shè)個 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進巫即因等待磁盤 IO 而排隊的話，時它并不耗 CPU，但是正等磁盤等件資源。么它是應(yīng)體現(xiàn)在平負(fù)載的計里的。所作者把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進都表現(xiàn)到均負(fù)載里。所以，載高低表的是當(dāng)前統(tǒng)上對系資源整體求更情況如果負(fù)載高，可能 CPU 資源不夠，也可能磁盤 IO 資源不夠了光山所以需要配合它觀測命具體分情分析。四總結(jié)今天帶大家深地學(xué)習(xí)了下 Linux 中的負(fù)載。我根據(jù)一幅來總結(jié)一今天學(xué)到內(nèi)容。我負(fù)載工作理分成了下三步。1.內(nèi)核定時匯狙如每 CPU 負(fù)載到系統(tǒng)瞬負(fù)載2.內(nèi)核使用指加權(quán)移動均快速計過去 1、5、15 分鐘的平數(shù)3.用戶進程通過開 loadavg 讀取內(nèi)核的平均負(fù)我們再回來總結(jié)一開篇提到幾個問題1.負(fù)載是如何于兒算來的?是定時將每個 CPU 上的運行隊中 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進白雉量匯總到個全局系瞬時負(fù)載中，然后定時使用數(shù)加權(quán)移平均法來計過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平夔牛負(fù)。2.負(fù)載高低和 CPU 消耗正相關(guān)嗎負(fù)載高低明的是當(dāng)系統(tǒng)上對統(tǒng)資源整需求更情。如果負(fù)變高，可是 CPU 資源不夠了，也可是磁盤 IO 資源不夠了周易所不能說看負(fù)載變高就覺得是 CPU 資源不夠用。3.內(nèi)核是如何暴負(fù)載數(shù)據(jù)應(yīng)用層的內(nèi)核定義一個偽文 /proc/ loadavg，每當(dāng)用打開這個件的時候內(nèi)核中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被蟜到，該函中訪問 avenrun 全局?jǐn)?shù)組變量，將平均負(fù)從整數(shù)轉(zhuǎn)為小數(shù)，后打印出?
Carchietta
張博維
