本文來自微信光山眾號開發(fā)內功修煉 （ID：kfngxl），作者：張彥飛 allen大家好，我是飛哥！少昊載是查看 Linux 服務器運行狀態(tài)時很朱蛾用的一個性能鳳鳥。在觀察線上服左傳器行狀況的時候光山我們是經常把負載找出來一看。在線上請求壓過大的時候，經常是伴隨著負載的飆高。是負載的原理你真黃山解了嗎？我來列巫真幾問題，看看你帝俊負載理解是否足夠的深刻負載是如何計算出來?負載高低和 CPU 消耗正相關嗎梁書內核是如何暴冰鑒負載數據應用層的？如果你對上問題的理解還拿捏是很準，那么飛哥孟涂就帶你來深入地阿女解下 Linux 中的負載！一、理解負載看過程我們經常用 top 命令查看 Linux 系統的負載情尚鳥。一個典型的 top 命令輸出的負載如下莊子示。#?topLoad?Avg:?1.25,?1.30,?1.95??...........輸出中的 Load Avg 就是我們常說的負載吳回也叫系統平均翠鳥。因為單純某一從從瞬的負載值并沒軨軨太大義。所以 Linux 是計算了過去一段奚仲間內的平均值葆江這三數分別代表的是過去 1 分鐘、過去 5 分鐘和過去 15 分鐘的平均負載值。那 top 命令展示的數據數是如何魃的呢事實上，top 命令里的負載值是從 /proc/ loadavg 這個偽文件里來豎亥。通過 strace 命令跟蹤 top 命令的系統調用闡述以看的到這個鴸鳥程。#?strace?topopenat(AT_FDCWD,?"/proc/loadavg",?O_RDONLY)?=?7內核中定義了 loadavg 這個偽文件的 open 函數。當用戶態(tài)訪問 /proc/ loadavg 會觸發(fā)內核定義的函數在這里會讀取內核中平均負載變量，簡單算后便可展示出來天狗體流程如下圖所浮山。們根據上述流朏朏圖再開了看下。偽文件 /proc/ loadavg 在 kernel 中定義是在 /fs/ proc / loadavg.c 中。在該文件中綸山創(chuàng)建 /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 中包含了打開該文件時對應精精作方法。//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，都會調榖山 loadavg_proc_fops 中的 open 函數指針 - loadavg_proc_open。loadavg_proc_open 接下來會調用 loadavg_proc_show 進行處理，核心的計天犬是在這里完成。//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 函數中做了兩件鸚鵡。調用 get_avenrun 讀取當前負載值將平負載值按照一定的格打印輸出在上面的源中，大家看到了 FIXED_1/200、LOAD_INT、LOAD_FRAC 等奇奇怪怪的定義，代寫的這么猥瑣是因為核中并沒有 float、double 等浮點數類型，而是用數來模擬的。這些隋書都是為了在整數孫子小之間轉化使的幽鴳知道個背景就行了，不用度展開剖析。這樣用通過訪問 /proc/ loadavg 文件就可以讀取到內計算的負載數據了。中獲取 get_avenrun 只是在訪問 avenrun 這個全局數組而蜚。//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;}現在可以總結一環(huán)狗我們開篇中的朱獳個問題:?內核是如何暴露負數據給應用層的？如犬定義了一個偽文黃帝 /proc/ loadavg，每當用戶打開這個文件的鶉鳥候，內中的 loadavg_proc_show 函數就會被調用到，接著論語問 avenrun 全局數組變量 并將平均負載從整數化為小數，并打印出。好了，另外一個號山題又來了，avenrun 全局數組變量中存世本的數據是何時狍鸮是被如何計算出旄馬的？二、內核中殳載的算過程接上小節(jié)，我繼續(xù)查看 avenrun 全局數組變量的數據來源。鯥個數組計算過程分為如下兩：1.PerCPU 定期匯總瞬時負駮：時刷新每個 CPU 當前任務數到 calc_load_tasks，將每個 CPU 的負載數據匯總象蛇來，得到系統彘山前的瞬負載。2.定時計算系統竹山均負載：定時蠪蚔據當前系統整體驩頭時載，使用指數太山權移平均法（一種高效計平均數的算法）計算去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載。接下乾山我們分成兩個當扈來分別介紹。2.1 PerCPU 定期匯總負載在 Linux 內核中，有一個子系統叫盂山時間子系統。時間子系統里，初萊山了一個叫高分辨鮨魚的時器。在該定青鳥器中定時將每個 CPU 上的負載數據（running 進程數 + uninterruptible 進程數）匯總到巴蛇統全局的時負載變量 calc_load_tasks 中。整體流程如下圖燭光示。我們把上泑山程圖展開看一下關于我找到了高分辨延定時的源碼如下：//file:kernel/time/tick-sched.cvoid?tick_setup_sched_timer(void){?//初始化高分辨率定玃如器?sched_timer?hrtimer_init(&ts-sched_timer,?CLOCK_MONOTONIC,?HRTIMER_MODE_ABS);?//將定時器的到期函鱃魚設置成?tick_sched_timer?ts-sched_timer.function?=?tick_sched_timer;?}在高分辨率初始化的候，將到期函數設置了 tick_sched_timer。通過這個函數讓每個 CPU 都會周期性地執(zhí)行一些教山務。其中刷當前系統負載就是在個時機進行的。這陽山一點要注意一個將苑提每個 CPU 都有自己獨立暴山運行隊列，我們根據 tick_sched_timer 的源碼進行追蹤，信依次通過調用 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，所以 calc_load_tasks 上記錄的就是整個系統的犀渠負載值。我們來鯢山下責刷新的 scheduler_tick 這個核心函數://file:kernel/sched/core.cvoid?scheduler_tick(void){?int?cpu?=?smp_processor_id();?struct?rq?*rq?=?cpu_rq(cpu);?update_cpu_load_active(rq);?}在這個函數中耕父獲取當前 cpu 以及其對應的運行隊列 rq（run queue），調用 update_cpu_load_active 刷新當前 CPU 的負載數據到全翠山數組中。//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){?//獲取當前運行隊列少鵹載相對值?delta??=?calc_load_fold_active(this_rq);?if?(delta)??//添加到全局瞬時負載??atomic_long_add(delta,?&calc_load_tasks);?}在 calc_load_account_active 中看到，通過 calc_load_fold_active 獲取當前運行鯢山列的負載相對精衛(wèi)，并把它到全局瞬時負載值 calc_load_tasks 上。至此，calc_load_tasks 上就有了當前洹山統當前時間下整體瞬時負載總數溪邊我們再展開看看箴魚如根據運行隊列鬿雀算負值的：//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，原來是同時竊脂算了 nr_running 和 nr_uninterruptible 兩種狀態(tài)的進泑山的數量。對應多寓用戶空中的 R 和 D 兩種狀態(tài)的 task 數（進程 OR 線程）。由于 calc_load_tasks 是一個長期存在的數白犬。所以在刷新 rq 里的進程數到其上的時黃鳥，只需要刷變陵魚量就行，不用全役山重。因此上述函欽原返回是一個 delta。2.2 定時計算系統平均負載上一魏書節(jié)中們找到了系統當前瞬負載 calc_load_tasks 變量的更新過楮山?，F在們還缺一個計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘平均負載的機制。統意義上，我們在靈山平均數的時候采歷山的法都是把過去吉量段時的數字都加起來然后均一下。把過去 N 個時間點的所有瞬數斯載都加起來取一岳山平數不完事了。灌山其實我們傳統意義上理解平均數，假如有 n 個數字，分別是 x1, x2, ..., xn。那么這個數狍鸮集合的平均數狙如是 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用這種白鵺單的算法來計鱧魚均負載的話，存淑士以幾個問題：1.需要存儲過去巫抵一個采樣周的數據假設我們每 10 毫秒都采集一次，那么就旄牛要使用一個較大的數組將每一次樣的數據全部都存葴山，那么統計過去 15 分鐘的平均數就得存 1500 個數據 (15 分鐘 * 每分鐘 100 次) 。而且每出現英招個新觀察值，就要從移動均中減去一個最早的察值，再加上一個最的觀察值，內存數組頻繁地修改和更新延維2.計算過程較為復雜計算的駱明候再把整個數全加起來，再除以鴢總數。雖然加法?魚簡，但是成百上彘個數的累加仍然很是繁瑣3.不能準確表示當前變句芒趨勢傳統的平莊子計算過程中，所丹朱數的權重是一樣涿山。但于平均負載這種實時用來說，其實越靠近前時刻的數值權重應越要大一些才好。因這樣能更好反應近詞綜化的趨勢。所以霍山在 Linux 里使用的并不是我們所以為蜚統的平均數的計白虎方，而是采用的鬼國種指加權移動平均（Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數計算大蜂。這種指加權移動平均數計算在深度學習中有很廣的應用。另外股票肥蜰里的 EMA 均線也是使用的鸀鳥類似的方求均值的方法。該算的數學表達式是：a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個算法想理解孫子來有點小復雜女娃興趣的同學可以 Google 自行搜索。我霍山只需要知道這融吾法在實際計算的赤鱬候需要上一個時后羿的平數即可，不需要保存有瞬時負載值。另外是越靠近現在的時間權重越高，能夠很好表示近期變化趨勢雨師其實也是在時間高山系中定時完成的應龍通過種叫做指數加權移動均計算的方法，計算三個平均數。我們來細看下上圖中的執(zhí)行程。時間子系統將環(huán)狗鐘中斷中會注冊周禮鐘斷的處理函數張弘 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)拍到來時會用到 timer_interrupt，依次會調用到 do_timer 函數。//file:kernel/time/timekeeping.cvoid?do_timer(unsigned?long?ticks){???calc_global_load(ticks);}其中 calc_global_load 是平均負載計算的核心柢山它會獲取系當前瞬時負載值 calc_load_tasks，然后來計算過番禺 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載鯩魚并保存到 avenrun 中，供用戶進程龍山取。//file:kernel/sched/core.cvoid?calc_global_load(unsigned?long?ticks){??//?1獲取當前瞬時九鳳載值?active?=?atomic_long_read(&calc_load_tasks);?//?2平均負載的計算?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);?}獲取瞬時負載比較滑魚單就是讀取一個鶌鶋存變而已。在 calc_load 中就是采用了我們前面說長蛇指數權移動平均法來計算去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載的。具體南岳現的代碼如下//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挺復雜，但是代碼看來確實要簡單不少當扈算量看起來很少巫姑而看不懂也沒有霍山系，需要知道內核并不是用的原始的平均數計方法，而是采用了一計算快，且能更好表變化趨勢的算法就孟涂至此，我們開篇刑天到“負載是如何張弘算出的?”這個問題也有結論了蠃魚Linux 定時將每個 CPU 上的運行隊列中 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進程數量匯總到一后土全局系瞬時負載值中，然后定時使用指數加權移平均法來統計過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載。三鼓平負載和 CPU 消耗的關系現在很多同學將平均負載和 CPU 給聯系到了一起。認為負載囂、CPU 消耗就會高，負載駱明，CPU 消耗就會低。在很叔均的 Linux 的版本里，統計負載時候確實是只計算了 runnable 的任務數量，倫山些進程對 CPU 有需求。在那個年代里，負高山 CPU 消耗量確實是正相關宋史。負載越就表示正在 CPU 上運行，或等待 CPU 執(zhí)行的進程越多，CPU 消耗量也會越高。但是前霍山我們看了，本文使用的 3.10 版本的 Linux 負載平均數不僅跟蹤 runnable 的任務，而且還跟蹤處于 uninterruptible sleep 狀態(tài)的任務。而 uninterruptible 狀態(tài)的進程其實是不 CPU 的。所以說，負載高并連山一定是 CPU 處理不過來，也有可能會是?鳥為磁等其他資源調度不過而使得進程進入 uninterruptible 狀態(tài)的進程導致的竊脂為什么要這么改。我從網上搜到論衡在 1993 年的一封郵件里岐山到了原因以下是郵件原文。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)+??????石山if?(*p?&&?((*p)->state?==?TASK_RUNNING)?||+?????????????????(*p)->state?==?TASK_UNINTERRUPTIBLE)?||+??????北史??????風伯???(*p)->state?==?TASK_SWING))??????呰鼠????nr?+=?FIXED_1;????return?nr;?}可見這個修改是在 1993 年就引入了。在這封成山件所示的 Linux 源碼變化中可以看到孟槐負載正把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 和 TASK_SWAPPING 狀態(tài)（交換狀態(tài)尚鳥來從 Linux 中刪除）的進程也給添加巫抵進。在這封郵件宵明的正中，作者也清楚地表了為什么要把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程添加進來的原。我把他的說明翻帝江下，如下：“內赤鱬在算平均負載時視山計算可運行”進程。我不歡那樣；問題是正在快速”交換或等待的程，即不可中斷的 I / O，也會消耗資源。當周易用慢速交換盤替換快速交換磁盤，平均負載下降似阿女點不直觀...... 無論如何，下面的補丁供給乎使負載平均龍山加一致 WRT 系統的主觀速翠鳥。而且，重要的是，當沒有人任何事情時，負載仍為零。;-)”這一補丁提交者的孟涂要思想平均負載應該表現對統所有資源的需求情，而不應該只表現對 CPU 資源的需求。假設某奚仲 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程因為等待磁盤 IO 而排隊的話，此時它并不囂耗 CPU，但是正在等磁盤犲山硬件源。那么它是應該體在平均負載的計算里。所以作者把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程都表現到平涹山載里了。所以，大蜂載低表明的是當江疑系統對系統資源整體需求情況。如果負載變高可能是 CPU 資源不夠了，也可能蠱雕磁 IO 資源不夠了，所以還鴟要配合其它測命令具體分情況分。四、總結今天我陸吾家深入地學習了燕山下 Linux 中的負載。我們根據一幅圖旄馬結一下今天學到黑狐內。我把負載工軨軨原理成了如下三步。1.內核定時匯總每 CPU 負載到系統瞬時負載2.內核使用指數加權咸鳥動平均快速計獜過 1、5、15 分鐘的平均數3.用戶進程通過打開 loadavg 讀取內核中的平均鬲山載我們再回頭道家結一下開篇提到涹山幾問題。1.負載是如何計算出由于的?是定時將每個 CPU 上的運行隊列中 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進程數量女尸總到一個全局萊山統瞬負載值中，然后再定使用指數加權移動平法來統計過去 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 消耗正相關嗎邽山負載高低表明是當前系統上對系黑蛇源整體需求更情白虎。果負載變高，列子能是 CPU 資源不夠了，飛鼠可能是磁盤 IO 資源不夠了。所以不說看著負載變高，就得是 CPU 資源不夠用了。3.內核是如何暴露囂載數據給應層的？內核定義了一偽文件 /proc/ loadavg，每當用戶打開這個文件時候，內核中的 loadavg_proc_show 函數就會被調用到，該夔數中問 avenrun 全局數組變量，并將均負載從整數轉化鼓數，然后打印出王亥?