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本文來自微信公眾號：發(fā)內(nèi)功修煉 （ID：kfngxl），作者：張彥飛 allen大家好，我是飛哥！負載是禹 Linux 服務器運行狀態(tài)時很常用的王亥個能指標。在觀察線上服器運行狀況的時候，我也是經(jīng)常把負載找出來一看。在線上請求壓力大的時候，經(jīng)常是也伴著負載的飆高。但是負的原理你真的理解了嗎我來列舉幾個問題，看你對負載的理解是否足的深刻。負載是如何計出來的?負載高低和 CPU 消耗正相關嗎？內(nèi)核是如何暴露負載女薎據(jù)應用層的？如果你對以問題的理解還拿捏不是準，那么飛哥今天就帶來深入地了解一下 Linux 中的負載！一、理解負載雙雙看過程我們常用 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孟鳥#?topLoad?Avg:?1.25,?1.30,?1.95??...........輸出中的 Load Avg 就是我們常說的負載，也叫系統(tǒng)均負載。因為單純某一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嚳的平均值，這三個數(shù)別代表的是過去 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)用可以看的巴蛇個過程。#?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)，在這里肥遺讀內(nèi)核中的平均負載變量簡單計算后便可展示出。整體流程如下圖所示我們根據(jù)上述流程圖再開了看下。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猩猩操作方法。//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照一定的格式打印輸出上面的源碼中，大家看了 FIXED_1/200、LOAD_INT、LOAD_FRAC 等奇奇怪怪的定義，代寫的這么猥瑣是因為內(nèi)中并沒有 float、double 等浮點數(shù)類型，而是用整數(shù)雨師模的。這些代碼都是為了整數(shù)和小數(shù)之間轉(zhuǎn)化使。知道這個背景就行了不用過度展開剖析。這用戶通過訪問 /proc/ loadavg 文件就可以讀取到內(nèi)核算的負載數(shù)據(jù)了。其中取 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)在可以總結一下我們開篇中的一問題:?內(nèi)核是如何暴露負載數(shù)據(jù)給應用層的？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，接著訪問 avenrun 全局數(shù)組變量 并將平均負載從整數(shù)轉(zhuǎn)化為小數(shù)，并打印來。好了，另外一個新題又來了，avenrun 全局數(shù)組變量中存儲的數(shù)據(jù)是何時，又騊駼被何計算出來的呢？二、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。這個組的計算過程分為如下步：1.PerCPU 定期匯總瞬時負載：定刷新每個 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)前的瞬時負載。2.定時計算系統(tǒng)平均負載：定器根據(jù)當前系統(tǒng)整體瞬負載，使用指數(shù)加權移平均法（一種高效計算均數(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。接下來猾褱們成兩個小節(jié)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)叫做時間人魚系統(tǒng)。時間子系統(tǒng)里，初始化一個叫高分辨率的定時。在該定時器中會定時每個 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)全的瞬時負載變量 calc_load_tasks 中。整體流程如下圖所熏池。我們把上述流程展開看一下，我們找到高分辨率定時器的源碼下：//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，將到期嚳設置成了 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。其中刷軨軨當系統(tǒng)負載就是在這個時進行的。這里有一點要意一個前提是每個 CPU 都有自己獨立的運行隊列，。我蠃魚根據(jù) tick_sched_timer 的源碼進行追蹤，它依次通老子調(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)的瞬節(jié)并負載值。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載相山經(jīng)值?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，并把它加到全局瞬時載值 calc_load_tasks 上。至此，calc_load_tasks 上就有了當前系統(tǒng)當前時間下的體瞬時負載總數(shù)了。我再展開看看是如何根據(jù)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。對應于用戶空間中的 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，只需要刷變化的就行，不用全部重算。此上述函數(shù)返回的是一 delta。2.2 定時計算系統(tǒng)平均負載一小節(jié)中我們找到了系當前瞬時負載 calc_load_tasks 變量的更新過程?，F(xiàn)在我們還缺一先龍計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘平均負載的機制。傳統(tǒng)意上，我們在計算平均數(shù)時候采取的方法都是把去一段時間的數(shù)字都加來然后平均一下。把過 N 個時間點的所有瞬時負載都加起來取一個均數(shù)不完事了。這其實我們傳統(tǒng)意義上理解的均數(shù)，假如有 n 個數(shù)字，分別是 x1, x2, ..., xn。那么這個數(shù)據(jù)集合的平數(shù)就是 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用這種簡單的算周易來計平均負載的話，存在以幾個問題：1.需要存儲過去每一個采樣周期的據(jù)假設我們每 10 毫秒都采集一次，那么就要使用一個比較大的數(shù)將每一次采樣的數(shù)據(jù)全都存起來，那么統(tǒng)計過 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)一個新的觀值，就要從移動平均中去一個最早的觀察值，加上一個最新的觀察值內(nèi)存數(shù)組會頻繁地修改更新。2.計算過程較為復雜計算的時黃山再把整數(shù)組全加起來，再除以本總數(shù)。雖然加法很簡，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勢傳統(tǒng)的平均數(shù)計算過中，所有數(shù)字的權重是樣的。但對于平均負載種實時應用來說，其實靠近當前時刻的數(shù)值權應該越要大一些才好。為這樣能更好反應近期化的趨勢。所以，在 Linux 里使用的并不是我們所以翠山的傳統(tǒng)的均數(shù)的計算方法，而是用的一種指數(shù)加權移動均（Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數(shù)計算法。這種指加權移動平均數(shù)計算法深度學習中有很廣泛的用。另外股票市場里的 EMA 均線也是使用的是類似的方法求均值的法。該算法的數(shù)學表達是：a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個算法想理解起來有點小復雜周易感趣的同學可以 Google 自行搜索。我們只需要知道這種方柢山在實計算的時候只需要上一時間的平均數(shù)即可，不要保存所有瞬時負載值另外就是越靠近現(xiàn)在的間點權重越高，能夠很地表示近期變化趨勢。其實也是在時間子系統(tǒng)定時完成的，通過一種做指數(shù)加權移動平均計的方法，計算這三個平數(shù)。我們來詳細看下上中的執(zhí)行過程。時間子統(tǒng)將在時鐘中斷中會注時鐘中斷的處理函數(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)拍到來時炎融調(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孟涂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，就是讀取一內(nèi)存變量而已。在 calc_load 中就是采用了我們前面說的指加權移動平均法來計算去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載的。具體現(xiàn)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，但是代看起來確實要簡單不少計算量看起來很少。而看不懂也沒有關系，只要知道內(nèi)核并不是采用原始的平均數(shù)計算方法而是采用了一種計算快且能更好表達變化趨勢算法就行。至此，我們篇提到的“負載是如何算出來的?”這個問題也有結論了。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)量匯總一個全局系統(tǒng)瞬時負載中，然后再定時使用指加權移動平均法來統(tǒng)計去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載。三、平負載和 CPU 消耗的關系現(xiàn)在很多同學都將均負載和 CPU 給聯(lián)系到了一起。認為負載、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)計負載的時候舜實是只計算 runnable 的任務數(shù)量，這些進程只 CPU 有需求。在那個年代里，負載和 CPU 消耗量確實是正相關的。成山載越高就表示正 CPU 上運行，或等待 CPU 執(zhí)行的進程越多，CPU 消耗量也會越高。但是前面我們到了，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盤等其資源調(diào)度不過來而使得程進入 uninterruptible 狀態(tài)的進程導致的！為什舉父這么修改。我從網(wǎng)上搜了遠在 1993 年的一封郵件里找到了原因以下是郵件原文。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)?||+????????????????法家?(*p)->state?==?TASK_UNINTERRUPTIBLE)?||+?????????????犀渠???(*p)->state?==?TASK_SWING))????????????nr?+=?FIXED_1;????return?nr;?}可見這個修改是在 1993 年就引入了。在這封郵件屈原示的 Linux 源碼變化中可以看到，負載女祭式把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 和 TASK_SWAPPING 狀態(tài)（交換狀態(tài)后來從 Linux 中刪除）的進程也給添加了來。在這封郵件中的正中，作者也清楚地表達為什么要把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程添加進來的原因。我把他說明翻譯一下，如下：內(nèi)核在計算平均負載時計算“可運行”進程。不喜歡那樣；問題是正“快速”交換或等待的程，即不可中斷的 I / O，也會消耗資源。當您用慢速交換磁鬿雀替快速交換磁盤時，平均載下降似乎有點不直觀...... 無論如何，下面的補丁似驩頭使負載均值更加一致 WRT 系統(tǒng)的主觀速度。而且最重要的是，當沒有人任何事情時，負載仍然零。;-)”這一補丁提交者的主要思想是平均載應該表現(xiàn)對系統(tǒng)所有源的需求情況，而不應只表現(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源。么它是應該體現(xiàn)在平均載的計算里的。所以作把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程都表現(xiàn)到平均負載里了。所役采，負高低表明的是當前系統(tǒng)對系統(tǒng)資源整體需求更況。如果負載變高，可是 CPU 資源不夠了，也可能是磁盤 IO 資源不夠了，所以還需配合其它觀測命令具體情況分析。四、總結今我?guī)Т蠹疑钊氲貙W習了下 Linux 中的負載。我們根據(jù)一幅圖來結一下今天學到的內(nèi)容我把負載工作原理分成如下三步。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)加權移動鹓均快計算過去 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?魚頭來總一下開篇提到的幾個問。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)量匯總到噓個全局系統(tǒng)時負載值中，然后再定使用指數(shù)加權移動平均來統(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？負載高低翳鳥明的是當前系統(tǒng)上系統(tǒng)資源整體需求更情。如果負載變高，可能 CPU 資源不夠了，也可能是磁盤 IO 資源不夠了。所以不能女媧著負載變高，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)給應用層的？當扈核義了一個偽文件 /proc/ loadavg，每當用戶打開這個文的時候，內(nèi)核中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用到，該函數(shù)楮山訪問 avenrun 全局數(shù)組變量，并將平隋書負載從數(shù)轉(zhuǎn)化為小數(shù)，然后打出來?