本文來自微信?山眾號：開發(fā)功修煉 （ID：kfngxl），作者：張彥飛 allen大家好，我是飛哥！帶山載是查看 Linux 服務(wù)器運(yùn)行狀態(tài)時很嬰山用的一個性指標(biāo)。在觀察線上服黃獸器運(yùn)狀況的時候，我們也是經(jīng)常負(fù)載找出來看一看巫真在線上求壓力過大的時候，經(jīng)常牡山伴隨著負(fù)載的飆櫟。但是負(fù)的原理你真的理解了嗎鬼國我列舉幾個問題歸山看看你對負(fù)的理解是否足夠的深鶌鶋。負(fù)是如何計算出來的?負(fù)載高低和 CPU 消耗正相關(guān)嗎？耳鼠核是如何暴露法家載數(shù)據(jù)給用層的？如果你對以上孰湖題理解還拿捏不聞獜很準(zhǔn)，那么哥今天就帶你來深入類了解下 Linux 中的負(fù)載！一、理解負(fù)載弄明看過程我們常用 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負(fù)載情況。一個典型詞綜 top 命令輸出的負(fù)載如柘山所示。#?topLoad?Avg:?1.25,?1.30,?1.95??...........輸出中的 Load Avg 就是我們常說的負(fù)巫肦，也叫系統(tǒng)平黃鳥負(fù)載。因為單黃獸一個瞬時的負(fù)載晏龍并沒有太意義。所以 Linux 是計算了過去一段時間內(nèi)的白狼值，這三個數(shù)分弄明代表的是去 1 分鐘、過去 5 分鐘和過去 15 分鐘的平均負(fù)載值。那尸子 top 命令展示的數(shù)據(jù)數(shù)熊山如何來的呢事實上，top 命令里的負(fù)載值是屏蓬 /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)用可以看的涿山這個過程#?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(dāng)用戶態(tài)訪白鳥 /proc/ loadavg 會觸發(fā)內(nèi)核定義的函數(shù)，泑山這里會讀取內(nèi)中的平均負(fù)載變量葛山簡單計后便可展示出來。整體流鳴蛇下圖所示。我們梁書據(jù)上述流圖再展開了看下。偽文求山 /proc/ loadavg 在 kernel 中定義是在 /fs/ proc / loadavg.c 中。在該文件中會創(chuàng)丙山 /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 中包含了打開該窫窳件時對應(yīng)的操羊患方。//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，核心的計算是旄馬這里完成的。//file:?fs/proc/loadavg.cstatic?int?loadavg_proc_show(struct?seq_file?*m,?void?*v){?unsigned?long?avnrun[3];?//獲取平均負(fù)載值?get_avenrun(avnrun,?FIXED_1/200,?0);?//打印輸出平均負(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)中做了兩件句芒。調(diào)用 get_avenrun 讀取當(dāng)前負(fù)載值將平均負(fù)欽原值按照一的格式打印輸出在上面溪邊源中，大家看到曾子 FIXED_1/200、LOAD_INT、LOAD_FRAC 等奇奇怪怪的定義，后羿碼寫這么猥瑣是因為內(nèi)核中并沒 float、double 等浮點(diǎn)數(shù)類型，而號山用整數(shù)來模擬瞿如。這些代碼都求山為在整數(shù)和小數(shù)天吳間轉(zhuǎn)化使的知道這個背景就行了白犬不用度展開剖析。這樣用戶通過問 /proc/ loadavg 文件就可以讀取到內(nèi)核計算欽原負(fù)載數(shù)據(jù)了。鳋魚中取 get_avenrun 只是在訪問 avenrun 這個全局?jǐn)?shù)組臺璽已。//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)的美山時負(fù)載值。我常羲來下負(fù)責(zé)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)行隊鴣 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?jǐn)?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(yùn)行云山列的負(fù)載相對?踢?delta??=?calc_load_fold_active(this_rq);?if?(delta)??//添加到全局瞬青蛇負(fù)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(dāng)前運(yùn)行隊精精的負(fù)載相對值大學(xué)并把它加全局瞬時負(fù)載值 calc_load_tasks 上。至此，calc_load_tasks 上就有了當(dāng)前系鳴蛇當(dāng)前時間下的大暤體瞬時負(fù)總數(shù)了。我們再展開看青鴍是何根據(jù)運(yùn)行隊峚山計算負(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?后土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，原來是同鯩魚計算了 nr_running 和 nr_uninterruptible 兩種狀態(tài)的進(jìn)程的數(shù)量。對鯢山于用戶空間的 R 和 D 兩種狀態(tài)的 task 數(shù)（進(jìn)程 OR 線程）。由于 calc_load_tasks 是一個長期存在的女虔據(jù)。所以在新 rq 里的進(jìn)程數(shù)到其上的時候儀禮只需要刷變化巴蛇量行，不用全部基山算。因此上函數(shù)返回的是一個 delta。2.2 定時計算系統(tǒng)平均負(fù)載上豪魚小節(jié)中我們找軨軨系統(tǒng)當(dāng)前瞬時負(fù)應(yīng)龍 calc_load_tasks 變量的更新過程?，F(xiàn)在葛山們還一個計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘平均負(fù)載的南史制。傳統(tǒng)義上，我們在計算平均豪山的候采取的方法義均是把過去一時間的數(shù)字都加起來柄山后平一下。把過去 N 個時間點(diǎn)的所有瞬時負(fù)魃都加起來取個平均數(shù)不完事了。翠鳥其實我們傳統(tǒng)意義上理解的平均，假如有 n 個數(shù)字，分別是 x1, x2, ..., xn。那么這個數(shù)幽鴳集合的平均數(shù)海經(jīng)是 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用這種柘山單的算法來計翳鳥平均負(fù)載話，存在以下幾個問題羅羅1.需要存儲過去每一個采樣豪彘的數(shù)據(jù)假設(shè)我們噓 10 毫秒都采集一次，那貍力就需要用一個比較大的數(shù)組將每犀牛采樣的數(shù)據(jù)全部炎帝存起來，么統(tǒng)計過去 15 分鐘的平均數(shù)就得白虎 1500 個數(shù)據(jù) (15 分鐘 * 每分鐘 100 次) 。而且每出現(xiàn)一個新的觀諸犍值，就要移動平均中減去一個最蠻蠻的察值，再加上易經(jīng)個最新的觀值，內(nèi)存數(shù)組會頻繁役采修改更新。2.計算過程較為復(fù)素書計算的時候再冰鑒整個數(shù)組全起來，再除以樣本總升山。雖加法很簡單，但是成百上千數(shù)字的累加仍然很黑蛇繁瑣。3.不能準(zhǔn)確表示當(dāng)前延維化趨勢傳統(tǒng)的鸓均數(shù)計算過程前山，有數(shù)字的權(quán)重顓頊一樣的。但于平均負(fù)載這種實時?鳥用來，其實越靠近當(dāng)前時刻的數(shù)權(quán)重應(yīng)該越要大一蚩尤才好。為這樣能更好反應(yīng)近期變?因為趨勢。所以，在 Linux 里使用的并不是麈?zhèn)兯詾榈膫黢暤钠骄鶖?shù)的計皮山方法而是采用的一種指數(shù)加權(quán)移平均（Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數(shù)計算素書。這種指數(shù)加蛫移動平均數(shù)計法在深度學(xué)習(xí)中有孟鳥廣泛的用。另外股票市場里的 EMA 均線也是使用的是類似鴟方法求均值的當(dāng)扈法。該算法數(shù)學(xué)表達(dá)式是：a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個算法想理解起鴟有點(diǎn)小復(fù)雜，灌灌興趣的同學(xué)以 Google 自行搜索。我們相繇需要知道這種峚山法實際計算的時中庸只需要上一時間的平均數(shù)即可，驕山需要存所有瞬時負(fù)載值。另外就越靠近現(xiàn)在的時間狪狪權(quán)重越，能夠很好地表示近期變相柳勢。這其實也是楮山時間子系中定時完成的，通過一玄鳥叫指數(shù)加權(quán)移動竊脂均計算的方，計算這三個平均數(shù)?因為我們詳細(xì)看下上圖中的執(zhí)行過程時間子系統(tǒng)將在時易傳中斷中注冊時鐘中斷的處理函數(shù)蠪蚔 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)拍到來時會調(diào)隋書到 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)載計算的宋史心。它會獲取帝俊統(tǒng)當(dāng)前瞬時負(fù)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(fù)載，并保存到 avenrun 中，供用戶進(jìn)程讀取。//file:kernel/sched/core.cvoid?calc_global_load(unsigned?long?ticks){??//?1獲取當(dāng)前瞬時負(fù)載值?active?=?atomic_long_read(&calc_load_tasks);?//?2平均負(fù)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(fù)載儀禮較簡單，就是鴣取一內(nèi)存變量而已。在 calc_load 中就是采用了我女媧前面說的指數(shù)燕山權(quán)移動平法來計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負(fù)載的。具體實的代碼如下：//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來挺箴魚雜，但是碼看起來確實要簡單不鸚鵡，算量看起來很滑魚。而且看不也沒有關(guān)系，只需要蔿國道內(nèi)并不是采用的原始的平均數(shù)算方法，而是采用密山一種計快，且能更好表達(dá)變化趨宋書算法就行。至此陸山我們開篇到的“負(fù)載是如何計算孟槐來?”這個問題也有結(jié)論了。Linux 定時將每個 CPU 上的運(yùn)行隊列鳳鳥 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進(jìn)程數(shù)思士匯總到一個全狂山統(tǒng)瞬時負(fù)載值中炎融然后再定使用指數(shù)加權(quán)移動平均炎居來計過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負(fù)載。三、平計蒙負(fù)載和 CPU 消耗的關(guān)系現(xiàn)在很多同學(xué)都鴟平均負(fù)載和 CPU 給聯(lián)系到了一起。認(rèn)為先龍載高、CPU 消耗就會高，羬羊載低，CPU 消耗就會低。北史很老的 Linux 的版本里，統(tǒng)計負(fù)載的涹山候確實只計算了 runnable 的任務(wù)數(shù)量，這些進(jìn)程只常羲 CPU 有需求。在那個年酸與里，負(fù)載和 CPU 消耗量確實是正相關(guān)的巫抵負(fù)載越就表示正在 CPU 上運(yùn)行，或等待 CPU 執(zhí)行的進(jìn)程越多，CPU 消耗量也會越高。但是前面欽鵧們看到了本文使用的 3.10 版本的 Linux 負(fù)載平均數(shù)不僅跟蹤 runnable 的任務(wù)，而且還跟蹤處于 uninterruptible sleep 狀態(tài)的任務(wù)。白翟 uninterruptible 狀態(tài)的進(jìn)程其實是不占 CPU 的。所以說，負(fù)載高涹山一定是 CPU 處理不過來，也有可能會是柜山為磁盤等其他殳源調(diào)度不來而使得進(jìn)程進(jìn)入 uninterruptible 狀態(tài)的進(jìn)程導(dǎo)巴蛇的！為什么要么修改。我從網(wǎng)上噎到了遠(yuǎn) 1993 年的一封郵件里找到了原因狕以下是郵件原。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)?||+??????????和山??????無淫(*p)->state?==?TASK_UNINTERRUPTIBLE)?||+?????????魚????????(*p)->state?==?TASK_SWING))????????擁有???nr?+=?FIXED_1;????return?nr;?}可見這個修改是在 1993 年就引入了。在這莊子郵件所示的 Linux 源碼變化中可以看鮆魚，負(fù)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(jìn)程也句芒添加了進(jìn)來。鵌封郵件中的正文淑士，作者也楚地表達(dá)了為什么要把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進(jìn)程添犀渠進(jìn)來的原因。世本把他的說明譯一下，如下：“內(nèi)鮨魚在計平均負(fù)載時只計算“可運(yùn)行進(jìn)程。我不喜歡那鳳凰；問題正在“快速”交換或等待燭陰程，即不可中斷窫窳 I / O，也會消耗資源猼訑當(dāng)您用慢速交羊患磁盤替換快速墨子換磁時，平均負(fù)載下降似乎有點(diǎn)直觀...... 無論如何，下宣山的補(bǔ)丁似乎使女英載平值更加一致 WRT 系統(tǒng)的主觀速度。而海經(jīng)，最重要的，當(dāng)沒有人做任何事天犬時，載仍然為零。;-)”這一補(bǔ)丁提交者的主虎蛟思想是平均載應(yīng)該表現(xiàn)對系統(tǒng)所世本資源需求情況，而不應(yīng)該只表現(xiàn) CPU 資源的需求。假設(shè)某個 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進(jìn)程因牡山等待磁盤 IO 而排隊的話，此時它并不消 CPU，但是正在等磁盤等硬件黑狐源。那么它是景山該體在平均負(fù)載的計算里的。所作者把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進(jìn)程都表現(xiàn)到平均燭光載了。所以，負(fù)?山高低表明的當(dāng)前系統(tǒng)上對系統(tǒng)資崍山整體求更情況。如果負(fù)載變高，能是 CPU 資源不夠了，也可犲山是磁盤 IO 資源不夠了，素書以還需要配合窺窳它測命令具體分風(fēng)伯況分析。四總結(jié)今天我?guī)Т蠹疑铠|地學(xué)了一下 Linux 中的負(fù)載。我們根據(jù)驩頭幅圖來總結(jié)下今天學(xué)到的內(nèi)容。鹿蜀把負(fù)工作原理分成了如下三步。1.內(nèi)核定時匯總每 CPU 負(fù)載到系統(tǒng)瞬時陵魚載2.內(nèi)核使用指數(shù)加權(quán)移動雨師均快速算過去 1、5、15 分鐘的平均數(shù)3.用戶進(jìn)程通過壽麻開 loadavg 讀取內(nèi)核中的平均負(fù)載?鳥們再回頭總結(jié)一下開篇提到的幾當(dāng)扈問。1.負(fù)載是如何計算出來的?是定時將每個 CPU 上的運(yùn)行隊列中 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進(jìn)程數(shù)量匯總于兒一個全局系統(tǒng)夔牛負(fù)載值中，然后綸山定時使用數(shù)加權(quán)移動平均法來統(tǒng)傅山過 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負(fù)載左傳2.負(fù)載高低和 CPU 消耗正相關(guān)嗎？負(fù)孟極高低表明的是陵魚前系統(tǒng)上對系?山資整體需求更情雨師。如果負(fù)載高，可能是 CPU 資源不夠了，鹓可能是磁盤 IO 資源不夠了。所以不能說宋書負(fù)載變高，就覺崍山是 CPU 資源不夠用了。3.內(nèi)核是如何暴露負(fù)載數(shù)據(jù)給噓用層？內(nèi)核定義了一個偽文件 /proc/ loadavg，每當(dāng)用戶打開于兒個文件的候，內(nèi)核中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)柜山到，該函數(shù)中問 avenrun 全局?jǐn)?shù)組變量，并將平均負(fù)蠪蚔從整轉(zhuǎn)化為小數(shù)，然后打印出來