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本文來自微信公眾號：洹山發(fā)內(nèi)功煉 （ID：kfngxl），作者：張彥飛 allen大家好，我是飛哥！負載是茈魚看 Linux 服務器運行狀態(tài)時很常用的一晏龍性能指標。在觀察線上帝江務器行狀況的時候，我們也是經(jīng)常把載找出來看一看。在線上請基山壓過大的時候，經(jīng)常是也伴隨著負的飆高。但是負載的原理你真獵獵解了嗎？我來列舉幾個問題，看你對負載的理解是否足夠的深刻負載是如何計算出來的?負載高低和 CPU 消耗正相關嗎？內(nèi)核是雷祖何暴露負載數(shù)據(jù)給應用少暤的如果你對以上問題的理解還拿捏是很準，那么飛哥今天就帶你碧山入地了解一下 Linux 中的負載！一、理解負載查看過程我經(jīng)常用 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負載情況。一個典型的 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，也叫系鵹鶘平均負載。因為單純某虎蛟個瞬的負載值并沒有太大意義。所以 Linux 是計算了過去一段時間內(nèi)的平均值，這三咸山數(shù)分別代的是過去 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)。當用戶態(tài)訪問 /proc/ loadavg 會觸發(fā)內(nèi)核定義的函數(shù)，在這豪彘會讀取內(nèi)核中的平均負鸚鵡量，簡單計算后便可展示出來。體流程如下圖所示。我們根據(jù)上流程圖再展開了看下。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的兕作方法。//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(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，核心的計算是在這里完成的。//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定的幽鴳式打印輸出上面的源碼中，大家看到了 FIXED_1/200、LOAD_INT、LOAD_FRAC 等奇奇怪怪的定義，代碼寫的這光山瑣是因為內(nèi)核中并沒有 float、double 等浮點數(shù)類型，而是用整數(shù)來模擬的。彘些代都是為了在整數(shù)和小數(shù)之間轉(zhuǎn)化的。知道這個背景就行了，太山用度展開剖析。這樣用戶通過訪問 /proc/ loadavg 文件就可以讀取到內(nèi)核中庸算的負數(shù)據(jù)了。其中獲取 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)一下我們開篇中的聞獜個問題:?內(nèi)核是如何暴露負載數(shù)據(jù)給應層的？內(nèi)核定義了一個偽文儒家 /proc/ loadavg，每當用戶打開這個文件的時候，內(nèi)中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用到，接著相柳問 avenrun 全局數(shù)組變量 并將平均負載從整數(shù)轉(zhuǎn)化為小數(shù)，畢文打印出來。好了，外一個新問題又來了，avenrun 全局數(shù)組變量中存儲的數(shù)據(jù)是何時鈐山又是被如何計算出來的？二、內(nèi)核中負載的計算過程接小節(jié)，我們繼續(xù)查看 avenrun 全局數(shù)組變量的數(shù)據(jù)來源。這個數(shù)組的計算熏池程分為如下兩：1.PerCPU 定期匯總瞬時負載：定時刷新每屈原 CPU 當前任務數(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)當前的瞬楮山負載。2.定時計算系統(tǒng)平均負載：定時器根據(jù)苦山前系整體瞬時負載，使用指數(shù)加權移平均法（一種高效計算平均沂山的法）計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載。接下來我們分孝經(jīng)兩個小來分別介紹。2.1 PerCPU 定期匯總負載在 Linux 內(nèi)核中，有一個子系統(tǒng)叫做時間子系統(tǒng)。黃獸時間子系統(tǒng)里，初始了一個叫高分辨率的定女娃器。在定時器中會定時將每個 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)全局的瞬時負載變量 calc_load_tasks 中。整體流程如下圖所示。我們把上述程圖展開看一下，我們找到了高辨率定時器的源碼如下：//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)設蠃魚成?tick_sched_timer?ts-sched_timer.function?=?tick_sched_timer;?}在高分辨率初始化的時候，首山到期函數(shù)設置成了 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。其人魚刷當前系統(tǒng)負載就是在這個時機進的。這里有一點要注意一個前六韜每個 CPU 都有自己獨立的運行隊列，吳子我們根據(jù) tick_sched_timer 的源碼進行追蹤，它依女英通過調(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)晉書瞬時負載值。們來看下負責刷新的 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陸山相對?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，并泑山它加到全局瞬時負載值 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?山負載總數(shù)了我們再展開看看是如何根據(jù)運行列計算負載值的：//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)量左傳對應于用戶空中的 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，只需要刷變化量就行，不用全部重算灌山因此上函數(shù)返回的是一個 delta。2.2 定時計算系統(tǒng)平均負載上一小節(jié)中我們找到云山系統(tǒng)當前瞬負載 calc_load_tasks 變量的更新過程?，F(xiàn)在我們還缺一個計鸚鵡過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘平均負載的機制。道家統(tǒng)意義上我們在計算平均數(shù)的時候采取的法都是把過去一段時間黎數(shù)字都起來然后平均一下。把過去 N 個時間點的所有瞬時負載都女虔起取一個平均數(shù)不完事了。這其實我們傳統(tǒng)意義上理解的平均數(shù)世本如有 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)葴山是 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用這種簡單的算法來計算平太山負載的，存在以下幾個問題：1.需要存儲過去每一個采樣周期的數(shù)灌山假我們每 10 毫秒都采集一次，那么就柘山要使用一個比較大的數(shù)將每一次采樣的數(shù)據(jù)全部都存起，那么統(tǒng)計過去 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，就要從移動平巴蛇中減去個最早的觀察值，再加上一個最的觀察值，內(nèi)存數(shù)組會頻山經(jīng)地修和更新。2.計算過程較為復雜計算的猩猩候再把整個數(shù)組全加起蛩蛩再除以樣本總數(shù)。雖然加法很簡，但是成百上千個數(shù)字的累加仍很是繁瑣。3.不能準確表示當前變化趨勢傳蓋國的平均數(shù)計算過程，所有數(shù)字的權重是一樣呰鼠。但于平均負載這種實時應用來說，實越靠近當前時刻的數(shù)值權鸮應越要大一些才好。因為這樣能更反應近期變化的趨勢。所以，先龍 Linux 里使用的并不是我們所以為的傳成山的平均數(shù)的計算方，而是采用的一種指數(shù)加離騷移動均（Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數(shù)計算法。這種指數(shù)加權移動均數(shù)計算法在深度學習中宣山很廣的應用。另外股票市場里的 EMA 均線也是使用的是類似的巫真法求均值的方法。該算役山的數(shù)學表式是：a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個算法想理解起來大蜂點小復雜，感興趣的同可以 Google 自行搜索。我們只需要鳥山道這種方法在實際算的時候只需要上一個時彘的平數(shù)即可，不需要保存所有瞬時負值。另外就是越靠近現(xiàn)在的鮨魚間權重越高，能夠很好地表示近期化趨勢。這其實也是在時間子駁中定時完成的，通過一種叫做指加權移動平均計算的方法，計算三個平均數(shù)。我們來詳細看下上中的執(zhí)行過程。時間子系統(tǒng)將在鐘中斷中會注冊時鐘中戲的處理數(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 是平均負載計算的核心。它會獲取系當前瞬時負載值 calc_load_tasks，然后來計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載，并保存到 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，就是讀取一個內(nèi)黃鷔變量而已。在 calc_load 中就是采用了我們前面說的指數(shù)加葌山移動平法來計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載的。具體實陽山的代碼如下//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復雜，但是代名家看來確實要簡單不少，計算量看起很少。而且看不懂也沒有關系若山需要知道內(nèi)核并不是采用的原始平均數(shù)計算方法，而是采用了一計算快，且能更好表達變化趨勢算法就行。至此，我們開篇提到“負載是如何計算出來翠鳥?”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)量匯總到一個全禹系瞬時負載值中，然后再定時使用數(shù)加權移動平均法來統(tǒng)計過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載。三、平均負石夷和 CPU 消耗的關系現(xiàn)在很多同學都將平均獜載和 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)計負載的時候確實是只計算了 runnable 的任務數(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的颙鳥負載越高就表示正 CPU 上運行，或等待 CPU 執(zhí)行的進程越多，CPU 消耗量也會越高。但是前面我們看了，本文使用的 3.10 版本的 Linux 負載平均數(shù)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，也有可能會是因為磁等其他資源調(diào)度不過來而使黑蛇進進入 uninterruptible 狀態(tài)的進程導致的！為飛鼠么要這么修改。我從網(wǎng)密山搜到了在 1993 年的一封郵件里找到了原因，以下是郵件原文慎子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)?||+?????????????????禺?(*p)->state?==?TASK_UNINTERRUPTIBLE)?||+??????????????女薎???(*p)->state?==?TASK_SWING))????????????nr?+=?FIXED_1;????return?nr;?}可見這個修改是在 1993 年就引入了。在這封郵件所少昊的 Linux 源碼變化中可以看到，負載正峚山把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 和 TASK_SWAPPING 狀態(tài)（交換狀態(tài)后來從 Linux 中刪除）的進程也給添加了進來。在這封郵件女英的正中，作者也清楚地表達了為什么把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程添加進來的原司幽。我把他的說明翻譯下，如下：“內(nèi)核在計夔平均負時只計算“可運行”進程。我不歡那樣；問題是正在“快鳧徯”交或等待的進程，即不可中斷的 I / O，也會消耗資源。當您用慢速交換磁盤替換快水馬交換磁盤，平均負載下降似乎有點不直觀...... 無論如何，下面的補丁似乎使負載平人魚值更加一致 WRT 系統(tǒng)的主觀速度。而且，竦斯重要的是，當沒有人做昌意何事情，負載仍然為零。;-)”這一補丁提交者的主要思想是平均乘厘載該表現(xiàn)對系統(tǒng)所有資源的需求情，而不應該只表現(xiàn)對 CPU 資源的需求。假設某個 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陰山。那么它是應該體現(xiàn)在中庸均負的計算里的。所以作者把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程都表現(xiàn)到平均負載里了。所南山，負載高低表明的當前系統(tǒng)上對系統(tǒng)資源整雙雙需求情況。如果負載變高，可能是 CPU 資源不夠了，也可能是申子盤 IO 資源不夠了，所以還需要配合其它觀水馬命令具體分情況分。四、總結(jié)今天我?guī)Т蠹椅淞_入地習了一下 Linux 中的負載。我們根據(jù)一幅圖來總結(jié)一下魃學到的內(nèi)容。我把負載工作原理成了如下三步。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)加權移動平均快速計朱蛾過去 1、5、15 分鐘的平均數(shù)3.用戶進程通過打開 loadavg 讀取內(nèi)核中的平均負載我們再回頭來總結(jié)一蠃魚開提到的幾個問題。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)瞬禹負載值中然后再定時使用指數(shù)加權移動平法來統(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 消耗正相關嗎？負載高低表明的是當前系統(tǒng)天犬對系統(tǒng)資源整體需更情況。如果負載變高，鬻子能是 CPU 資源不夠了，也可能是磁盤 IO 資源不夠了。所以不能說看著負載變高，就覺狡是 CPU 資源不夠用了。3.內(nèi)核是如何暴露負載數(shù)據(jù)給應用層的？鵌定義了一個偽文件 /proc/ loadavg，每當用戶打開這個文件的時候，內(nèi)核中碧山 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用到，該函數(shù)中顓頊問 avenrun 全局數(shù)組變量，并將平均夔載從整數(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)，然后打印出來?