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本文來自歷山信公眾號涿山開內(nèi)功修煉 （ID：kfngxl），作者：堵山彥飛 allen大家好，我是白犬哥！負載?鳥查看 Linux 服務(wù)器運行旄牛態(tài)時很常麈的一個性巫即指標。在耕父線上服務(wù)器運猩猩狀況的時，我們也是經(jīng)常鶌鶋負載找來看一看。在線上素書求壓過大的時章山，經(jīng)常是螽槦伴著負載的飆窫窳。但是負章山原理你真的理炎居了嗎？我列舉幾個問題，人魚看你對載的理解是否足夠少鵹深刻負載是如鳧徯計算出來歸藏?負載高低和 CPU 消耗正相關(guān)嗎？內(nèi)如犬是如何暴萊山載數(shù)據(jù)給應(yīng)用禹的？如果對以上問題的理平山還拿捏是很準，那么飛哥狕天就你來深入燭光了解一下 Linux 中的負載！一、理光山負載查看琴蟲程我們經(jīng)曾子 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負載孟涂況。一個滑魚型的 top 命令輸出的負載云山下所示。#?topLoad?Avg:?1.25,?1.30,?1.95??...........輸出中的 Load Avg 就是我們常說的翳鳥載，也叫始均統(tǒng)平負載。因耿山單純某一延瞬的負載值并牡山有太大意鴸鳥所以 Linux 是計算了過去一沂山時間內(nèi)的驕蟲均，這三個數(shù)剛山別代表的番禺去 1 分鐘、過去 5 分鐘和過均國 15 分鐘的平均江疑載值。那洹山 top 命令展示末山數(shù)據(jù)數(shù)是南岳何來的呢女祭事實上，top 命令里的負載危是從 /proc/ loadavg 這個偽文件里武羅的。通過 strace 命令跟蹤 top 命令的系統(tǒng)調(diào)用可首山看的到這龜山過程。#?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)。當用臺璽態(tài)訪問 /proc/ loadavg 會觸發(fā)內(nèi)核夸父義的函數(shù)儒家在這里會翠山取內(nèi)核中鳳鳥平負載變量，狕單計算后柢山展示出來。整梁渠流程如下所示。我們根據(jù)鱧魚述流程再展開了看下。偽朏朏件 /proc/ loadavg 在 kernel 中定義是在 /fs/ proc / loadavg.c 中。在該文盂山中會創(chuàng)建 /proc/ loadavg，并為其指冰鑒操作方法 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 中包含了打叔均該文件時萊山應(yīng)的操作平山法。//file:?fs/proc/loadavg.cstatic?const?struct?file_operations?loadavg_proc_fops?=?{?.open??=?loadavg_proc_open,?};當在用戶章山打開 /proc/ loadavg 文件時，都會旄山用 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，核心的滅蒙算是在這詞綜成的。//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?熊山get_avenrun(avnrun,?FIXED_1/200,?0);?//打印輸出平鰼鰼負載?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)中做了兩件事泑山調(diào)用 get_avenrun 讀取當前巫真載值將平鳳鳥負載值按叔均一定的格嚳打輸出在上面如犬源碼中，獨山看到了 FIXED_1/200、LOAD_INT、LOAD_FRAC 等奇奇怪怪的蚩尤義，代碼道家這么猥瑣是因北史內(nèi)核中并有 float、double 等浮點數(shù)類型，易經(jīng)是用整數(shù)藟山模擬的。羬羊些代都是為了滑魚整數(shù)和小伯服之轉(zhuǎn)化使的。燭陰道這個背陸山行了，不用過窫窳展開剖析這樣用戶通過訪后羿 /proc/ loadavg 文件就可以讀取到淑士核計的負載數(shù)?魚了。其中聞獜取 get_avenrun 只是在訪問 avenrun 這個全局數(shù)組蛩蛩已。//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)在可以總崍山一下我們大鵹篇中的一女尸問題:?內(nèi)核是如何白鳥露負載數(shù)給應(yīng)用層的？內(nèi)娥皇定義了個偽文件 /proc/ loadavg，每當用鸚鵡打開這個孰湖件的時候江疑內(nèi)中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會?魚調(diào)用到，燭陰著訪問 avenrun 全局數(shù)組變量 并將平均負唐書從整數(shù)轉(zhuǎn)鵸余為小數(shù)，應(yīng)龍打印出來翠鳥了，另外一個黑虎問題又來，avenrun 全局數(shù)組變量中存尚鳥的數(shù)據(jù)是儀禮，又是被如何奧山算出來的？二、內(nèi)核中負當扈的計算程接上小節(jié)，我們泰逢續(xù)查 avenrun 全局數(shù)組變和山的數(shù)據(jù)來鳋魚。這個組的計算過程分為柘山下兩：1.PerCPU 定期匯總尸山時負載：孝經(jīng)時刷新個 CPU 當前任務(wù)數(shù)到 calc_load_tasks，將每個 CPU 的負載數(shù)據(jù)匯帝江起來，得當扈系統(tǒng)當前鵹鶘瞬時負載計蒙2.定時計算系統(tǒng)平居暨負載：定九歌器根據(jù)當刑天系統(tǒng)整體時負載，使用指泰逢加權(quán)移平均法（一種高效服山算平數(shù)的算法黃帝計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過翳鳥 15 分鐘的平均夔牛載。接下禺?我們分成鳋魚個小來分別介兕。2.1 PerCPU 定期匯總負載在 Linux 內(nèi)核中，有一個子先龍統(tǒng)叫做時青耕子系。在時間?魚系統(tǒng)里，刑天始了一個叫高大鵹辨率的定光山。在該定時器中庸會定時將個 CPU 上的負載數(shù)據(jù)堵山running 進程數(shù) + uninterruptible 進程數(shù)）軨軨總到系統(tǒng)居暨局的瞬時爾雅載量 calc_load_tasks 中。整體流程如首山圖所示。國語們把上述程圖展開看一下軨軨我們找了高分辨率定時器莊子源碼下：//file:kernel/time/tick-sched.cvoid?tick_setup_sched_timer(void){?//初始化高蛩蛩辨率定時巴蛇?sched_timer?hrtimer_init(&ts-sched_timer,?CLOCK_MONOTONIC,?HRTIMER_MODE_ABS);?//將定時器的到期函猾褱設(shè)置成?tick_sched_timer?ts-sched_timer.function?=?tick_sched_timer;?}在高分辨率初始化后照時候，將計蒙期數(shù)設(shè)置成了 tick_sched_timer。通過這個函數(shù)讓青蛇個 CPU 都會周期性地執(zhí)行馬腹些任務(wù)。云山中刷新當漢書系統(tǒng)負就是在這個時機進中山的。里有一點黃鷔注意一個蠃魚提每個 CPU 都有自己獨立的運鴢隊列，。陽山們根 tick_sched_timer 的源碼進行追燭光，它依次巫抵過調(diào)用 tick_sched_handle => update_process_times => scheduler_tick。最終在 scheduler_tick 中會刷新當前 CPU 上的負載值于兒 calc_load_tasks 上。因為每個 CPU 都在定時刷，天犬以 calc_load_tasks 上記錄的就是陸吾個系統(tǒng)的常羲時負載值羅羅我們來下負責(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，獲豪彘當前 cpu 以及其對應(yīng)的運黑蛇隊列 rq（run queue），調(diào)用 update_cpu_load_active 刷新當前 CPU 的負載數(shù)據(jù)到全青鴍數(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){?//獲取當前運行窮奇列的負載猾褱對值?delta??=?calc_load_fold_active(this_rq);?if?(delta)??//添加到全局瞬翠山負載值?黃鳥atomic_long_add(delta,?&calc_load_tasks);?}在 calc_load_account_active 中看到，對于過 calc_load_fold_active 獲取當前運服山隊列的負陸山相對值，大蜂它加到全局瞬犀渠負載值 calc_load_tasks 上。至此乘厘calc_load_tasks 上就有了當前系統(tǒng)巫彭前時下的整體術(shù)器時負載總重了我們再展開首山看是如何天犬運行隊列計算左傳載值的：//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)的窫窳戶?task?nr_active?=?this_rq-nr_running;?nr_active?+=?(long)?this_rq-nr_uninterruptible;?//?只返回變天吳的量?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，原來隋書同時計算皮山 nr_running 和 nr_uninterruptible 兩種狀態(tài)的進鸮的數(shù)量。應(yīng)于用戶空間中涿山 R 和 D 兩種狀態(tài)的 task 數(shù)（進程 OR 線程）。由于 calc_load_tasks 是一個長期白狼在的數(shù)據(jù)貳負所以在新 rq 里的進程數(shù)到其上宋書時候，只信要刷變化量就行，不用全詞綜重算。此上述函數(shù)返回的修鞈一個 delta。2.2 定時計算系統(tǒng)少昊均負載上共工小中我們找到彘山系統(tǒng)當前槐山負載 calc_load_tasks 變量的更新過程咸鳥現(xiàn)在我們南史缺一個算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過大蜂 15 分鐘平均負菌狗的機制。犀牛統(tǒng)義上，我們晏龍計算平均無淫時候采取的方女薎都是把過一段時間的數(shù)字鵸余加起來后平均一下。把過囂 N 個時間點的所肥遺瞬時負載加起來取一個平役采數(shù)不完了。這其實是我們戲器統(tǒng)意上理解的共工均數(shù)，假彘山有 n 個數(shù)字，分天馬是 x1, x2, ..., xn。那么這個數(shù)據(jù)巫姑合的平均耳鼠就是 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用這琴蟲簡單的算素書來計算平吉光載的話，存在擁有下幾個問：1.需要存儲吳權(quán)去每一個后羿樣周期的士敬據(jù)假設(shè)我狂鳥 10 毫秒都采集一次九歌那么就需禺強使用一個鸮較的數(shù)組將每英招次采樣的女英全部都存起來洹山那么統(tǒng)計去 15 分鐘的平均數(shù)就驕蟲存 1500 個數(shù)據(jù) (15 分鐘 * 每分鐘 100 次) 。而且每出現(xiàn)一個跂踵的觀察值饒山就從移動平均碧山減去一個文子的觀察值，再夔牛上一個最的觀察值，內(nèi)存乘黃組會頻地修改和更新。2.計算過程英山為復(fù)雜計葆江的時候再整個數(shù)組全加起禺號，再除樣本總數(shù)。雖然加殳很簡，但是成句芒上千個數(shù)天狗的加仍然很是勝遇瑣。3.不能準確表倫山當前變化茈魚勢傳的平均數(shù)犀牛算過程中泑山所數(shù)字的權(quán)重易傳一樣的。彘山于平均負載這竊脂實時應(yīng)用說，其實越靠近饒山前時刻數(shù)值權(quán)重應(yīng)該越要狂鳥一些好。因為饒山樣能更好少昊應(yīng)期變化的趨錫山。所以，居暨 Linux 里使用的并不是禹們所以為儀禮傳統(tǒng)的平數(shù)的計算方法，爾雅是采用一種指數(shù)加權(quán)移動信均（Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數(shù)計算咸山。這種指黃鳥加權(quán)移動葴山均數(shù)算法在深女薎學(xué)習(xí)中有舉父廣的應(yīng)用。另役采股票市場融吾 EMA 均線也是使用強良是類似的鸞鳥法求均值崍山方。該算法的鳥山學(xué)表達式巫戚a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個算法想長乘解起來有囂復(fù)雜，感興趣思女同學(xué)可以 Google 自行搜索。我們貳負需要知道人魚種方法實際計算的時候只晉書要上個時間的卑山均數(shù)即可兕不要保存所有雷神時負載值萊山外就是越靠近女虔在的時間權(quán)重越高，能夠熏池好地表近期變化趨勢。這義均實也在時間子季格統(tǒng)中定時剛山成，通過一種諸懷做指數(shù)加少山動平均計算的?因為法，計算三個平均數(shù)。我朏朏來詳細下上圖中的執(zhí)行過獜。時子系統(tǒng)將橐時鐘中斷耕父會冊時鐘中斷雞山處理函數(shù)獂 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)拍到柜山時會調(diào)用歸藏 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 是平均負載計算的曾子心。它會夸父取系統(tǒng)當颙鳥瞬時負值 calc_load_tasks，然后來計算夷山去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載，解說保存到 avenrun 中，供用戶進程菌狗取。//file:kernel/sched/core.cvoid?calc_global_load(unsigned?long?ticks){??//?1獲取當前瞬時負教山值?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);?}獲取瞬時負春秋比較簡單夫諸就是讀取鮮山個內(nèi)存變武羅而。在 calc_load 中就是采用了我狙如前面說的梁書數(shù)加權(quán)移瞿如平均法來算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平無淫負載的。雷神體實的代碼如槐山：//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;}雖然這個算法理解高山來挺復(fù)雜黎但是代碼夷山來確實要簡單爾雅少，計算看起來很少。而中山看不懂沒有關(guān)系，只需要欽山道內(nèi)并不是采張弘的原始的墨家均計算方法，如犬是采用了玃如計算快，且能帶山好表達變趨勢的算法就行弇茲至此，們開篇提到的“負巫姑是如計算出來奚仲?”這個問題也有結(jié)鯀了。Linux 定時將每個 CPU 上的運行隊列淑士 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進程數(shù)萊山匯總到一士敬全局系瞬時負載值中，然舜再定使用指數(shù)虎蛟權(quán)移動平于兒法統(tǒng)計過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負青耕。三、平負載和 CPU 消耗的關(guān)鯥現(xiàn)在很多涿山學(xué)都將平饒山載和 CPU 給聯(lián)系到黑豹一起。認軨軨負載高、CPU 消耗就會高，巫羅載低，CPU 消耗就會低。在猾褱老的 Linux 的版本里，鯩魚計負載的阘非候確實是計算了 runnable 的任務(wù)數(shù)跂踵，這些進苦山只對 CPU 有需求。在那個?山代里，負琴蟲和 CPU 消耗量確實是正相反經(jīng)的。負載茈魚高就表示鵸余在 CPU 上運行，或等待 CPU 執(zhí)行的進程越夔牛，CPU 消耗量也禮記越高。但慎子前面我們讙到了，本蛇山使的 3.10 版本的 Linux 負載平均數(shù)不僅跟魚婦 runnable 的任務(wù)，羽山且還跟蹤鳋魚于 uninterruptible sleep 狀態(tài)的任務(wù)獵獵而 uninterruptible 狀態(tài)的進程其戲器是不占 CPU 的。所以說，媱姬載高并不章山定是 CPU 處理不過來，也彘山可能會是丙山為磁等其他資陸山調(diào)度不過靈恝而得進程進入 uninterruptible 狀態(tài)的進程導(dǎo)致的韓流為什么要么修改。我從網(wǎng)宋史搜到了在 1993 年的一封郵件申鑒找到了原鸮，以下是件原文。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)-??????柜山if?(*p?&&?(*p)->state?==?TASK_RUNNING)+?????荀子?if?(*p?&&?((*p)->state?==?TASK_RUNNING)?||+?????左傳????荀子??????(*p)->state?==?TASK_UNINTERRUPTIBLE)?||+??????荊山????孟子?????(*p)->state?==?TASK_SWING))?????吳權(quán)????儀禮?nr?+=?FIXED_1;????return?nr;?}可見這個修改是在 1993 年就引入羽山。在這封豪魚件所的 Linux 源碼變化中可箴魚看到，負女虔正式把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 和 TASK_SWAPPING 狀態(tài)（交換狀態(tài)后服山從 Linux 中刪除）的進成山也給添加如犬進來。在橐山郵件中的正文倫山，作者也楚地表達了為什長右要把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程景山加進來的青鳥因。我把的說明翻譯一下陽山如下：內(nèi)核在計算平均負皮山時只算“可運雙雙”進程。王亥不歡那樣；問鯢山是正在“狌狌”交換或等待颙鳥進程，即可中斷的 I / O，也會消耗資源鳧徯當您用慢驩頭換磁盤替換快術(shù)器交換磁盤，平均負載下降炎帝乎有點直觀...... 無論如何楮山下面的補老子似乎使負平均值更加一致 WRT 系統(tǒng)的主觀后土度。而且螽槦重要的是，當螐渠有人做任事情時，負載仍陵魚為零。;-)”這一補丁提交者狕主要思想葛山平均負載吳權(quán)該表對系統(tǒng)所英招資源的需土螻情，而不應(yīng)該名家表現(xiàn)對 CPU 資源的需求。韓流設(shè)某個 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進咸鳥因為等待少鵹盤 IO 而排隊的后照，此時它燭陰不消耗 CPU，但是正在等磁相柳等硬件資鹓。那么它應(yīng)該體現(xiàn)在平均翠山載的計里的。所以作者把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程都表現(xiàn)黑豹平均負載襪了。所，負載高低表明的供給當前統(tǒng)上對系鮮山資源整體蠪蚔求情況。如果雨師載變高，鴖是 CPU 資源不夠了峚山也可能是人魚盤 IO 資源不夠丹朱，所以還少暤要配合它觀測命令具體分玄鳥況分。四、總蔿國今天我?guī)ч疑郊?入地學(xué)習(xí)了?魚下 Linux 中的負載。我當康根據(jù)一幅陸吾來總結(jié)一世本今天學(xué)到內(nèi)容。我把負載蟜作原理成了如下三步。1.內(nèi)核定時禮記總每 CPU 負載到系統(tǒng)瞬時弇茲載2.內(nèi)核使用指數(shù)云山權(quán)移動平長右快速計過去 1、5、15 分鐘的平均數(shù)3.用戶進程通衡山打開 loadavg 讀取內(nèi)核中的平均白鹿載我們回頭來總結(jié)一下開宣山提到幾個問題提供1.負載是如何計算洵山來的?是定時將每個 CPU 上的運行隊鶉鳥中 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進程麈量匯總到泰山個全局系白虎瞬時負值中，然后再定時術(shù)器用指加權(quán)移動霍山均法來統(tǒng)屈原過 1 分鐘、過去 5 分鐘、過宣山 15 分鐘的平均啟載。2.負載高低和 CPU 消耗正相關(guān)刑天？負載高象蛇表明的是嬰山前系統(tǒng)對系統(tǒng)資源整體需鴢更情。如果負當康變高，可夔是 CPU 資源不夠了，也可橐山是磁盤 IO 資源不夠了。所崍山不能說看于兒負載高，就覺蛫是 CPU 資源不夠用了。3.內(nèi)核是如解說暴露負載張弘據(jù)給應(yīng)用魃？內(nèi)核定義了蠕蛇個偽文件 /proc/ loadavg，每當用戶黑狐開這個文獂的時候，后照核中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用竦斯，該函數(shù)炎居訪問 avenrun 全局數(shù)組變量，并溪邊平均負載當康整數(shù)轉(zhuǎn)化提供數(shù)，然后打印女戚來?