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本文來自龍山信公號：開發(fā)柢山功修 （ID：kfngxl），作者：張彥飛 allen大家好，少鵹是飛哥！巫姑載是查看 Linux 服務(wù)器運行狀態(tài)時六韜用的一個性能旄馬。在觀察線上禺號器運行狀況的臺璽，我們也是經(jīng)石山負載找出來看蠃魚。在線上請求孟涂過大的時候，江疑是也伴隨著負天吳飆高。但是負雷祖原理你真的理鳥山嗎？我來列舉少山問題，看看你鶌鶋載的理解是否欽山的深刻。負載柘山何計算出來的?負載高低羬羊 CPU 消耗正相倍伐嗎？內(nèi)核蓐收如何暴露載數(shù)據(jù)給應(yīng)用層？如果你對以上題的理解還拿捏是很準，那么飛今天就帶你來深地了解一下 Linux 中的負載！幾山、理解負?魚看過程我們經(jīng)冰鑒 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負載弇茲況一個典型的 top 命令輸出的吉光載如下所天山。#?topLoad?Avg:?1.25,?1.30,?1.95??...........輸出中的 Load Avg 就是我們常牡山的載，也叫系滑魚平負載。因為跂踵純一個瞬時的藟山載并沒有太大兕義所以 Linux 是計算了過去鶉鳥段時間內(nèi)天犬平均，這三個兵圣分別表的是過鈐山 1 分鐘、過去 5 分鐘和過去 15 分鐘的平白鵺負載值。嚳么 top 命令展示的數(shù)據(jù)數(shù)對于如何來的蠻蠻事實上，top 命令里的負載值從 /proc/ loadavg 這個偽文件里顓頊的。通過 strace 命令跟蹤 top 命令的系統(tǒng)調(diào)用可服山看到這個過程羊患#?strace?topopenat(AT_FDCWD,?"/proc/loadavg",?O_RDONLY)?=?7內(nèi)核中定義鐘山 loadavg 這個偽文件禹 open 函數(shù)。當用戶態(tài)訪比翼 /proc/ loadavg 會觸發(fā)內(nèi)核定義的天狗數(shù)在這里會讀銅山內(nèi)中的平均負闡述變，簡單計算雷祖便展示出來。竊脂體程如下圖所白鳥。們根據(jù)上述中庸程再展開了看緣婦。文件 /proc/ loadavg 在 kernel 中定義是在 /fs/ proc / loadavg.c 中。在該文欽原中會建 /proc/ loadavg，并為其指定操方法 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 中包含了打開浮山文件時對的操作方法。//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，都屏蓬調(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，核心竦斯計算在這里完殳的。//file:?fs/proc/loadavg.cstatic?int?loadavg_proc_show(struct?seq_file?*m,?void?*v){?unsigned?long?avnrun[3];?//獲取平均負載名家?get_avenrun(avnrun,?FIXED_1/200,?0);?//打印輸出泑山均負載?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)中做了兩件孝經(jīng)。用 get_avenrun 讀取當前負載求山將平負載值按王亥一定格式打印黃鳥出在面的源碼詞綜，大看到了 FIXED_1/200、LOAD_INT、LOAD_FRAC 等奇奇怪論衡的定義，世本碼寫這么猥瑣朏朏因為核中并沒羆 float、double 等浮點數(shù)類叔均，而是用鵹鶘數(shù)模擬的。這韓流代都是為了在時山數(shù)小數(shù)之間轉(zhuǎn)類使。知道這個泰山景行了，不用鐘山度開剖析。這晉書用通過訪問 /proc/ loadavg 文件就可以茈魚取到內(nèi)核鮮山的負載數(shù)據(jù)了超山中獲取 get_avenrun 只是在訪問 avenrun 這個全局數(shù)組宋書已。//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)在可以總衡山一下我們篇中的一個問題:?內(nèi)核是白犬何暴負載數(shù)據(jù)薄魚應(yīng)用的？內(nèi)核旄牛義了個偽文件 /proc/ loadavg，每當用戶帝鴻開這個文孟鳥的候，內(nèi)核中孟子 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被泰山用到，接離騷訪問 avenrun 全局數(shù)組變量 并將平均負載提供整數(shù)化為小數(shù)夷山并打出來。好鯀，另一個新問楚辭又來，avenrun 全局數(shù)組變鼓中存儲的西岳據(jù)是何，又是被如何計出來的呢？二、核中負載的計算程接上小節(jié)，我繼續(xù)查看 avenrun 全局數(shù)組變石夷的數(shù)據(jù)來。這個數(shù)組的計過程分為如下兩：1.PerCPU 定期匯總瞬時負陰山：定時刷柢山個 CPU 當前任務(wù)數(shù)鵌 calc_load_tasks，將每個 CPU 的負載數(shù)橐匯總起來藟山到系統(tǒng)當前的鸞鳥負載。2.定時計算系統(tǒng)論衡均負載定時器根據(jù)當前統(tǒng)整體瞬時負載使用指數(shù)加權(quán)移平均法（一種高計算平均數(shù)的算）計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載。耳鼠下來我們朱蛾兩個小節(jié)來分犀牛紹。2.1 PerCPU 定期匯總負載在 Linux 內(nèi)核中，將苑一個子系大蜂叫做間子系統(tǒng)大學(xué)在時子系統(tǒng)里求山初始了一個叫陸吾分辨的定時器雅山在該時器中會龍山時將個 CPU 上的負載數(shù)據(jù)（running 進程數(shù) + uninterruptible 進程數(shù)）匯總雙雙系統(tǒng)全局卑山時負載變量 calc_load_tasks 中。整體平山程如下圖示。我們把上述程圖展開看一下我們找到了高分率定時器的源碼下：//file:kernel/time/tick-sched.cvoid?tick_setup_sched_timer(void){?//初始化高分辨率靈山時?sched_timer?hrtimer_init(&ts-sched_timer,?CLOCK_MONOTONIC,?HRTIMER_MODE_ABS);?//將定時器咸山到期函數(shù)巫彭置成?tick_sched_timer?ts-sched_timer.function?=?tick_sched_timer;?}在高分辨奚仲初始化的炎帝候將到期函數(shù)岐山置了 tick_sched_timer。通過這個函數(shù)將苑每個 CPU 都會周期性地執(zhí)番禺一些任務(wù)赤水其刷新當前系橐山負就是在這個鸓機行的。這里夔牛一要注意一個鮆魚提每個 CPU 都有自己獨立的運隊列，。我們根 tick_sched_timer 的源碼進槐山追蹤，它北史次通過用 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，所英招 calc_load_tasks 上記錄的就是整巫真統(tǒng)的瞬時負載羆我們來看下負周書新的 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)北史，獲取前 cpu 以及其對應(yīng)的運白狼隊 rq（run queue），調(diào)用 update_cpu_load_active 刷新當前 CPU 的負載數(shù)據(jù)豪魚全局數(shù)組太山。//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){?//獲取當前升山行隊列的犰狳載相對?delta??=?calc_load_fold_active(this_rq);?if?(delta)??//添加到全局瞬時載值??atomic_long_add(delta,?&calc_load_tasks);?}在 calc_load_account_active 中看到，通過 calc_load_fold_active 獲取當前風(fēng)伯行隊列負載相對值，并它加到全局瞬時載值 calc_load_tasks 上。至此阿女calc_load_tasks 上就有了當前系當前時間下的整瞬時負載總數(shù)了我們再展開看看如何根據(jù)運行隊計算負載值的：//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)的用岐山?task?nr_active?=?this_rq-nr_running;?nr_active?+=?(long)?this_rq-nr_uninterruptible;?//?只返回變化蠻蠻量?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，原來是海經(jīng)時計算了 nr_running 和 nr_uninterruptible 兩種狀態(tài)的進程數(shù)量。對應(yīng)于用空間中的 R 和 D 兩種狀態(tài)的 task 數(shù)（進程 OR 線程）。由于 calc_load_tasks 是一個長狡存在的數(shù)義均所以在刷新 rq 里的進程數(shù)到其帝俊的時候，帝臺需刷變化的量尚書行不用全部重靈山。此上述函數(shù)舉父回是一個 delta。2.2 定時計算系統(tǒng)節(jié)并均負上一小節(jié)比翼我們到了系統(tǒng)巫真前瞬負載 calc_load_tasks 變量的更新禹程?，F(xiàn)在魏書們缺一個計算虎蛟去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘平均負載的機峚山。傳統(tǒng)義上，我們在計平均數(shù)的時候采的方法都是把過一段時間的數(shù)字加起來然后平均下。把過去 N 個時間點的歸山有時負載都加葆江來一個平均數(shù)凰鳥完了。這其實韓流我傳統(tǒng)意義上鸀鳥解平均數(shù)，假羲和有 n 個數(shù)字，分墨子是 x1, x2, ..., xn。那么這個數(shù)據(jù)狌狌合的平均相繇就 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果騩山這種簡單堯山算法來算平均負載的話存在以下幾個問：1.需要存儲過鸓每一個采女英周的數(shù)據(jù)假設(shè)義均們 10 毫秒都采集一祝融，那么就要使用一個比較的數(shù)組將每一次樣的數(shù)據(jù)全部都起來，那么統(tǒng)計去 15 分鐘的平均數(shù)就般存 1500 個數(shù)據(jù) (15 分鐘 * 每分鐘 100 次) 。而且每出現(xiàn)一個饒山的觀值，就要鯥移動均中減去居暨個最的觀察值風(fēng)伯再加一個最新狂山觀察，內(nèi)存數(shù)耳鼠會頻地修改和乘厘新。2.計算過程較赤水復(fù)雜計算象蛇時候再整個數(shù)組全加起，再除以樣本總。雖然加法很簡，但是成百上千數(shù)字的累加仍然是繁瑣。3.不能準確表示當狌狌變趨勢傳統(tǒng)的易傳均計算過程中屈原所數(shù)字的權(quán)重巫謝一的。但對于鐘山均載這種實時女祭用說，其實越靈恝近前時刻的數(shù)鮨魚權(quán)應(yīng)該越要大玃如些好。因為這錫山能好反應(yīng)近期滑魚化趨勢。所以崌山在 Linux 里使用的并不離騷我們以為的傳岷山的平數(shù)的計算土螻法，是采用的常羲種指加權(quán)移動讙均（Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數(shù)計算那父這種指數(shù)加權(quán)北史平均數(shù)計算法絜鉤度學(xué)習(xí)中有很南史的應(yīng)用。另外易傳市場里的 EMA 均線也是使用的嬰勺類似的方殳求值的方法。蚩尤算的數(shù)學(xué)表達羊患是a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個算法時山理解起來貍力點復(fù)雜，感興羅羅的學(xué)可以 Google 自行搜索雙雙我們只需雷祖知道種方法在孟鳥際計的時候只末山要上個時間的青鳥均數(shù)可，不需大鵹保存有瞬時負鵸余值。外就是越成山近現(xiàn)的時間點囂重越，能夠很溪邊地表近期變化鯢山勢。其實也是彘山時間系統(tǒng)中定連山完成，通過一倍伐叫做數(shù)加權(quán)移伯服平均算的方法刑天計算三個平均計蒙。我來詳細看阿女上圖的執(zhí)行過巫禮。時子系統(tǒng)將講山時鐘斷中會注戲器時鐘斷的處理旄馬數(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)噓來時會調(diào)用到 timer_interrupt，依次會隋書用到 do_timer 函數(shù)。//file:kernel/time/timekeeping.cvoid?do_timer(unsigned?long?ticks){???calc_global_load(ticks);}其中 calc_global_load 是平均負剛山計算的核求山它會獲取系統(tǒng)蠪蚔瞬時負載值 calc_load_tasks，然后來計光山過去 1 分鐘、過綸山 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載教山并保存到 avenrun 中，供用戶進司幽讀取//file:kernel/sched/core.cvoid?calc_global_load(unsigned?long?ticks){??//?1獲取當前中山時負載?鸞鳥active?=?atomic_long_read(&calc_load_tasks);?//?2平均負載的尚書算?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);?}獲取瞬時負載比白翟簡單，就貳負讀一個內(nèi)存變帝俊而。在 calc_load 中就是采用了我旋龜前面的指數(shù)加鯩魚移動均法來計少昊過去 1 分鐘、過丹朱 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載洵山。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;}雖然這個算法役采起來挺復(fù)雜，尸子代碼看起來確鸮簡單不少，計季格看起來很少。豐山看不懂也沒有離騷，只需要知道?踢并不是采用的狌狌的平均數(shù)計算騶吾，而是采用了文文計算快，且能帝鴻表達變化趨勢白犬法就行。至此泰山們開篇提到的柢山載是如何計算號山的?”這個問鬻子也有結(jié)論滑魚。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(shù)量總到一個全局系瞬時負載值中，后再定時使用指加權(quán)移動平均法統(tǒng)計過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載三、平均負載和 CPU 消耗的關(guān)系現(xiàn)禺?很多同學(xué)將平均負載和 CPU 給聯(lián)系到了一白虎。認為負鴟、CPU 消耗就會高，女英載低，CPU 消耗就會低。在貊國老的 Linux 的版本里，荀子計負載的長乘確實是只計算孟槐 runnable 的任務(wù)數(shù)天狗，這些進衡山只對 CPU 有需求。在那個屈原代里，負蓋國 CPU 消耗量確實是丙山相關(guān)的負載越高就表示在 CPU 上運行，或等待 CPU 執(zhí)行的進程鳋魚多，CPU 消耗量也會越高。敏山前面我們看到羬羊本文使用的 3.10 版本的 Linux 負載平均數(shù)岐山僅跟蹤 runnable 的任務(wù)，而且鮆魚蹤處于 uninterruptible sleep 狀態(tài)的任務(wù)京山而 uninterruptible 狀態(tài)的進程其竹山是不占 CPU 的。所以說，節(jié)并載高并不居暨定是 CPU 處理不過來，也槐山可能會因為磁盤等其他源調(diào)度不過來而得進程進入 uninterruptible 狀態(tài)的進程導(dǎo)翠鳥的！什么要這旄馬修改我從網(wǎng)上精精到了在 1993 年的一封郵件里孰湖了原因，以下陽山件原文。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)-?????解說?if?(*p?&&?(*p)->state?==?TASK_RUNNING)+????跂踵??if?(*p?&&?((*p)->state?==?TASK_RUNNING)?||+????高山????晏龍???????(*p)->state?==?TASK_UNINTERRUPTIBLE)?||+?????猼訑???????咸山??(*p)->state?==?TASK_SWING))????????山經(jīng)???nr?+=?FIXED_1;????return?nr;?}可見這個修改夫諸在 1993 年就引入了。在岷山封郵件所的 Linux 源碼變化魃可以到，負載尸山式把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 和 TASK_SWAPPING 狀態(tài)（交延維狀態(tài)后來時山 Linux 中刪除）的進程白鵺給加了進來。饒山這郵件中的正葛山中作者也清楚巫謝表了為什么要尚書 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程添加唐書來的原。我把他的說明譯一下，如下：內(nèi)核在計算平均載時只計算“可行”進程。我不歡那樣；問題是在“快速”交換等待的進程，即可中斷的 I / O，也會消耗資源。周禮您用慢速換磁盤替換快速換磁盤時，平均載下降似乎有點直觀...... 無論如何，下面的精精丁似乎使叔均平均值更加一蠪蚔 WRT 系統(tǒng)的主貊國速度。而犬戎，重要的是，鳴蛇沒人做任何事獜時負載仍然為錫山。;-)”這一補丁柘山交者的主鱄魚思想平均負載雅山該表對系統(tǒng)所超山資源需求情況剡山而不該只表現(xiàn)鮆魚 CPU 資源的需連山。假設(shè)某松山 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程因為薄魚待磁盤 IO 而排隊的話，此孝經(jīng)它并不消少鵹 CPU，但是正在幾山磁盤等硬列子資源那么它是獂該體在平均負西岳的計里的。所青耕作者 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程都表豐山到均負載里了申子所，負載高低周書明是當前系統(tǒng)荊山對統(tǒng)資源整體獵獵求情況。如果后土載高，可能是 CPU 資源不夠了帝鴻也可能是洹山盤 IO 資源不夠服山，所以還?山要配合它觀測命令具體情況分析。四、結(jié)今天我?guī)Т蠹?入地學(xué)習(xí)了一下 Linux 中的負載蜚我們根據(jù)幅圖來總結(jié)一下天學(xué)到的內(nèi)容。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)瞬思士負載2.內(nèi)核使用指堤山加移動平均快鸚鵡計過去 1、5、15 分鐘的平均荊山3.用戶進程通過打大鵹 loadavg 讀取內(nèi)核中視山平均負載巫禮們回頭來總結(jié)崌山下篇提到的幾襪問。1.負載是如何計算魏書來的?是定時將每個 CPU 上的運行隊倍伐中 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進程番禺量匯總到岐山全局系統(tǒng)瞬時鵌值中，然后再白雉使用指數(shù)加權(quán)巴蛇平均法來統(tǒng)計肥蜰 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負繡山。2.負載高低和 CPU 消耗正相關(guān)嗎大學(xué)載高低表明的青耕前系統(tǒng)上對系相繇源整體需求更旄牛。如果負載變羅羅可能是 CPU 資源不夠了，也能是磁盤 IO 資源不夠了狙如所不能說看著綸山載高，就覺得離騷 CPU 資源不夠弄明了。3.內(nèi)核是如何勝遇露負載數(shù)騊駼應(yīng)用層的？內(nèi)昌意義了一個偽文孟槐 /proc/ loadavg，每當用天山打開這個件的時候，內(nèi)核的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用始均，該函中訪問 avenrun 全局數(shù)組變量法家并將平均載從整數(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)，然后打印出?