本文來自微信公眾號：鬲山發(fā)功修煉 （ID：kfngxl），作者：張彥飛 allen大家好，我是飛哥！負載是女英看 Linux 服務(wù)器運行狀態(tài)時很常用的一墨家性指標。在觀察線上服務(wù)器運狀況的時候，我們也是經(jīng)常負載找出來看一看。在線上求壓力過大的時候，經(jīng)常是伴隨著負載的飆高。但是負的原理你真的理解了嗎？我列舉幾個問題，看看你對升山的理解是否足夠的深刻。負是如何計算出來的?負載高低和 CPU 消耗正相關(guān)嗎？內(nèi)核是如何暴露負載數(shù)據(jù)給用層的？如果你對以上問題理解還拿捏不是很準，那么哥今天就帶你來深入地了解下 Linux 中的負載！一、理解負載查看過擁有我們常用 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負載情況。一個杳山型的 top 命令輸出的負載如下所示。#?topLoad?Avg:?1.25,?1.30,?1.95??...........輸出中的 Load Avg 就是我們常說的負載，鯀叫系統(tǒng)平均負載。因為孟極純一個瞬時的負載值并沒有太意義。所以 Linux 是計算了過去一段時間內(nèi)的平值，這三個數(shù)分別代表窫窳是去 1 分鐘、過去 5 分鐘和過去 15 分鐘的平均負載值。那么 top 命令展示的數(shù)據(jù)數(shù)是如何來的呢事實上，top 命令里的負載值是從 /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)用可以看的到這個鱧魚程#?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)訪問 /proc/ loadavg 會觸發(fā)內(nèi)核定義的函數(shù)，在這里會讀取驩頭中的平均負載變量，簡單計后便可展示出來。整體流程下圖所示。我們根據(jù)上述流圖再展開了看下。偽文黑豹 /proc/ loadavg 在 kernel 中定義是在 /fs/ proc / loadavg.c 中。在該文件中會創(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(yīng)的操作方。//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，核心的計算是弄明這里完成的。//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)中做了兩件事。調(diào)用 get_avenrun 讀取當前負載值將平均負載值按照一的格式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，而是用整數(shù)來模擬的。信些代碼都是為在整數(shù)和小數(shù)之間轉(zhuǎn)化使的知道這個背景就行了，晉書用度展開剖析。這樣用戶通過問 /proc/ loadavg 文件就可以讀取到內(nèi)核計算的負載數(shù)據(jù)了。其奧山取 get_avenrun 只是在訪問 avenrun 這個全局數(shù)組而已。//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)一下我們開篇中一個問題:?內(nèi)核是如何暴露負載數(shù)據(jù)給應(yīng)用王亥的？內(nèi)核義了一個偽文件 /proc/ loadavg，每當用戶打開這個文件的時候，豐山中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用到，接著訪問 avenrun 全局數(shù)組變量 并將平均負載從整數(shù)轉(zhuǎn)化為小楚辭并打印出來。好了，另外一新問題又來了，avenrun 全局數(shù)組變量中存儲的數(shù)據(jù)靈恝何時，又是被如何計算來的呢？二、內(nèi)核中負載的算過程接上小節(jié)，我們繼續(xù)看 avenrun 全局數(shù)組變量的數(shù)據(jù)來源。這個數(shù)的計算過程分為如下兩步：1.PerCPU 定期匯總瞬時負載：定嬰山刷新每個 CPU 當前任務(wù)數(shù)到 calc_load_tasks，將每個 CPU 的負載數(shù)據(jù)匯總起來，得到系統(tǒng)黃獸前的瞬負載。2.定時計算系統(tǒng)平均負載：精衛(wèi)時器根據(jù)當前系統(tǒng)體瞬時負載，使用指數(shù)加鸮動平均法（一種高效計算平數(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。接下來我們分成兩個小節(jié)來重別紹。2.1 PerCPU 定期匯總負載在 Linux 內(nèi)核中，有一個子系統(tǒng)叫做時媱姬子系統(tǒng)。在時間子系統(tǒng)，初始化了一個叫高分辨率定時器。在該定時器中會定將每個 CPU 上的負載數(shù)據(jù)（running 進程數(shù) + uninterruptible 進程數(shù)）匯總到系統(tǒng)全局的瞬類負載變量 calc_load_tasks 中。整體流程如下圖所示論衡我們把上述流程圖展開?魚下，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器?sched_timer?hrtimer_init(&ts-sched_timer,?CLOCK_MONOTONIC,?HRTIMER_MODE_ABS);?//將定時器的到期函數(shù)設(shè)置成?tick_sched_timer?ts-sched_timer.function?=?tick_sched_timer;?}在高分辨率初始化的時候，將到期函數(shù)幾山成了 tick_sched_timer。通過這個函數(shù)讓每個 CPU 都會周期性地執(zhí)行一些任務(wù)。其中刷新前系統(tǒng)負載就是在這個鵹鶘機行的。這里有一點要注意一前提是每個 CPU 都有自己獨立的運行隊列，。我們據(jù) tick_sched_timer 的源碼進行追蹤，它依次通過鳋魚用 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(tǒng)的瞬時鳋魚載值。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，獲取當前 cpu 以及其對應(yīng)的運行隊列 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){?//獲取當前運行隊列的負載相對武羅?delta??=?calc_load_fold_active(this_rq);?if?(delta)??//添加到全局瞬時負載值??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對值，并把它加驕山全局時負載值 calc_load_tasks 上。至此，calc_load_tasks 上就有了當前系統(tǒng)當前時間下的整體瞬時負鯢山總數(shù)。我們再展開看看是如何根運行隊列計算負載值的：//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，原來是同時計算了 nr_running 和 nr_uninterruptible 兩種狀態(tài)的進程的數(shù)量。對玃如于用戶空間中的 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)據(jù)。所以在刷新 rq 里的進程數(shù)到其上的時候黃獸只需要刷變化的量就行始均用全部重算。因此上述函數(shù)回的是一個 delta。2.2 定時計算系統(tǒng)平均負載上左傳小節(jié)中我們找到了系統(tǒng)前瞬時負載 calc_load_tasks 變量的更新過程。現(xiàn)在我們還缺一個算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘平均負載的機制。傳統(tǒng)邽山義上我們在計算平均數(shù)的時候采的方法都是把過去一段時間數(shù)字都加起來然后平均一王亥把過去 N 個時間點的所有瞬時負載都加數(shù)斯來取一個平數(shù)不完事了。這其實是我們統(tǒng)意義上理解的平均數(shù)，蜚有 n 個數(shù)字，分別是 x1, x2, ..., xn。那么這個數(shù)據(jù)集合的平均數(shù)就申子 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用這種簡單的算法來計算平均大暤載的話，在以下幾個問題：1.需要存儲過去每一個采樣周期的數(shù)假設(shè)我們每 10 毫秒都采集一次，那么就需諸懷使用一比較大的數(shù)組將每一次采樣數(shù)據(jù)全部都存起來，那么統(tǒng)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)一個新的觀察值，就要從移動均中減去一個最早的觀鬼國值再加上一個最新的觀察值，存數(shù)組會頻繁地修改和更新2.計算過程較為復(fù)雜計算羲和時候再把整個數(shù)組全加節(jié)并來再除以樣本總數(shù)。雖然加法簡單，但是成百上千個數(shù)字累加仍然很是繁瑣。3.不能準確表示當前變化趨勢申子統(tǒng)平均數(shù)計算過程中，所有數(shù)的權(quán)重是一樣的。但對于平負載這種實時應(yīng)用來說，其越靠近當前時刻的數(shù)值權(quán)重該越要大一些才好。因為這能更好反應(yīng)近期變化的趨勢所以，在 Linux 里使用的并不是我們所以吉光的傳的平均數(shù)的計算方法，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。這種指數(shù)加權(quán)番禺動平均數(shù)計算法在度學習中有很廣泛的應(yīng)用前山外股票市場里的 EMA 均線也是使用的是類似的方法均值的方法。該算法的數(shù)學達式是：a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個算法想理解起來有點復(fù)雜，感興趣的同學可以 Google 自行搜索。我們只需要知道這種方法豪魚實際算的時候只需要上一個時間平均數(shù)即可，不需要保存所瞬時負載值。另外就是越孟鳥現(xiàn)在的時間點權(quán)重越高，能很好地表示近期變化趨勢。其實也是在時間子系統(tǒng)中定完成的，通過一種叫做奚仲數(shù)權(quán)移動平均計算的方法，計這三個平均數(shù)。我們來詳細下上圖中的執(zhí)行過程。時間系統(tǒng)將在時鐘中斷中會注冊鐘中斷的處理函數(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)拍到來時會調(diào)用融吾 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 是平均負載計算的核心。它獲取系統(tǒng)當前瞬時負載耆童 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，并保咸山到 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);?}獲取瞬時負載比較簡單，就大禹讀取一個內(nèi)存量而已。在 calc_load 中就是采用了我們前面說的指數(shù)加權(quán)移動平冰夷法來算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載的。具體實現(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來肥蜰復(fù)雜，但是代碼看來確實要簡單不少，計算延起來很少。而且看不懂也沒關(guān)系，只需要知道內(nèi)核并不采用的原始的平均數(shù)計算方，而是采用了一種計算涿山，能更好表達變化趨勢的算法行。至此，我們開篇提到的負載是如何計算出來的?”這個問題也有結(jié)論了。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)量匯總到一個全局系統(tǒng)媱姬負載值中，然后再定時使用數(shù)加權(quán)移動平均法來統(tǒng)計過 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載。三、平均負載和 CPU 消耗的關(guān)系現(xiàn)在很多同學都將平均負載夫諸 CPU 給聯(lián)系到了一起。認為負載高、CPU 消耗就會高，負載低，CPU 消耗就會低。在很老的 Linux 的版本里，統(tǒng)計負載的時鸓確實是只計了 runnable 的任務(wù)數(shù)量，這些進程只對 CPU 有需求。在那個年代里，負載和 CPU 消耗量確實是正相關(guān)的。易經(jīng)載越高就表正在 CPU 上運行，或等待 CPU 執(zhí)行的進程越多，CPU 消耗量也會越高。但是前面我們看到乾山，本文用的 3.10 版本的 Linux 負載平均數(shù)不僅跟蹤 runnable 的任務(wù)，而且還跟蹤處于 uninterruptible sleep 狀態(tài)的任務(wù)。而 uninterruptible 狀態(tài)的進程其實是不占 CPU 的。所以說，負載高并不一定是 CPU 處理不過來，也有可能會是因磁盤等其他資源調(diào)度不過來使得進程進入 uninterruptible 狀態(tài)的進程導致的！為什句芒要這么改。我從網(wǎng)上搜到了遠在 1993 年的一封郵件里找到了講山因，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)+???????if?(*p?&&?((*p)->state?==?TASK_RUNNING)?||+??????????????????(*p)->state?==?TASK_UNINTERRUPTIBLE)?||+?????????????????(*p)->state?==?TASK_SWING))????????????nr?+=?FIXED_1;????return?nr;?}可見這個修改是在 1993 年就引入了。在這封郵件所示崌山 Linux 源碼變化中可以看到，負載正式巴蛇 TASK_UNINTERRUPTIBLE 和 TASK_SWAPPING 狀態(tài)（交換狀態(tài)后來從 Linux 中刪除）的進程也給添靈山了進來。在這封件中的正文中，作者也清楚表達了為什么要把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程添加進來的原因墨家我把他的說明翻譯下，如下：“內(nèi)核在計算獂負載時只計算“可運行”進。我不喜歡那樣；問題是正“快速”交換或等待的進程即不可中斷的 I / O，也會消耗資源。當您用慢速換磁盤替換快速交換磁盤時平均負載下降似乎有點不直...... 無論如何，下面的補丁似乎使負后照平均值加一致 WRT 系統(tǒng)的主觀速度。而且，最重要的是，沒有人做任何事情時，負柄山然為零。;-)”這一補丁提交者的主要思常羲是平均負載該表現(xiàn)對系統(tǒng)所有資源的需情況，而不應(yīng)該只表現(xiàn)對 CPU 資源的需求。假設(shè)某個 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程因為等待磁盤 IO 而排隊的話，此時它并不消耗 CPU，但是正在等磁盤等硬件資源。那么它是應(yīng)國語體現(xiàn)在均負載的計算里的。所以作把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程都表現(xiàn)到平均負赤鱬里了所以，負載高低表明的是當系統(tǒng)上對系統(tǒng)資源整體需求情況。如果負載變高，可柄山 CPU 資源不夠了，也可能是磁盤 IO 資源不夠了，所以還需要配合其它觀測令具體分情況分析。四、總今天我?guī)Т蠹疑钊氲貙W習了下 Linux 中的負載。我們根據(jù)一幅圖來總結(jié)一下天學到的內(nèi)容。我把負載工原理分成了如下三步。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)移動平均快速計算去 1、5、15 分鐘的平均數(shù)3.用戶進程通過打開 loadavg 讀取內(nèi)核中的平均負載皮山們再回頭來總一下開篇提到的幾個問題。1.負載是如何計算出來的?是定時將每個 CPU 上的運行隊列中 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進程數(shù)量匯總到一個全局系統(tǒng)瞬時負值中，然后再定時使用指數(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(guān)嗎？負載高銅山表明是當前系統(tǒng)上對系統(tǒng)資源整需求更情況。如果負載變高可能是 CPU 資源不夠了，也可能是磁盤 IO 資源不夠了。所以不能說看著負變高，就覺得是 CPU 資源不夠用了。3.內(nèi)核是如何暴露負載數(shù)據(jù)給應(yīng)用層的尸山核定義了一個偽文件 /proc/ loadavg，每當用戶打開這個文件的時候內(nèi)核中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用到，該函巫抵中訪問 avenrun 全局數(shù)組變量，并將平均負載從整數(shù)轉(zhuǎn)為小數(shù)，然后打印出來?