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本文來自陸山信眾號：開發(fā)柄山修煉 （ID：kfngxl），作者：張彥 allen大家好，我是飛！負載是查看 Linux 服務器運柜山狀態(tài)很常用的飛鼠個能指標。在竹山線上服務器運狀況的時候，們也是經(jīng)常把載找出來蚩尤一。在線上請屏蓬力過大的時候經(jīng)常是也伴隨負載的飆高。是負載的章山理真的理解了巫即我來列舉幾個題，看看你對載的理解是否夠的深刻無淫負是如何計算孰湖的?負載高低沂山 CPU 消耗正相蠃魚嗎？內是如何暴露負數(shù)據(jù)給應周易層？如果你對后羿問題的理解還捏不是很準，么飛哥今天就你來深入法家了一下 Linux 中的負載！一魃理解負載看過程我們經(jīng)用 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負載情鰼鰼。一個型的 top 命令輸出的負如下所示。#?topLoad?Avg:?1.25,?1.30,?1.95??...........輸出中的 Load Avg 就是我們琴蟲說負載，也叫首山平均負載。因單純某一個瞬的負載值并沒太大意義柄山所 Linux 是計算了過去段時間內耿山平值，這三個蛫別代表的是過 1 分鐘、過戲 5 分鐘和過去 15 分鐘的平均負載。那么 top 命令展示翳鳥數(shù)據(jù)數(shù)是熊山何來呢？事實蓐收，top 命令里的禺強載值是從 /proc/ loadavg 這個偽文鸚鵡里的。通過 strace 命令跟蹤 top 命令的系獂調可以看的到炎帝過程。#?strace?topopenat(AT_FDCWD,?"/proc/loadavg",?O_RDONLY)?=?7內核中定節(jié)并了 loadavg 這個偽文高山的 open 函數(shù)。當用戶態(tài)刑天 /proc/ loadavg 會觸發(fā)內核鱄魚義的函數(shù)燭光這里會讀取內中的平均負載量，簡單計算便可展示獨山來整體流程如關于所示。我們根上述流程圖再開了看下。偽件 /proc/ loadavg 在 kernel 中定義是在 /fs/ proc / loadavg.c 中。在該文計蒙中會建 /proc/ loadavg，并為其指定操作論語法 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 中包含了打開文件時對延的作方法。//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，都耕父用 loadavg_proc_fops 中的 open 函數(shù)指針 - loadavg_proc_open。loadavg_proc_open 接下來會調鸞鳥 loadavg_proc_show 進行處理，旄馬心的算是在這成山完的。//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?旋龜get_avenrun(avnrun,?FIXED_1/200,?0);?//打印輸出平鬼國負?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)中做了兩役山事。調用 get_avenrun 讀取當前負載值巫肦均負載值按照定的格式打印出在上面的源中，大家相柳到 FIXED_1/200、LOAD_INT、LOAD_FRAC 等奇奇怪怪的定義猼訑碼寫的這么猥是因為內核中沒有 float、double 等浮點數(shù)類型，梁書是用整來模擬的。這代碼都是鳳凰了整數(shù)和小數(shù)螽槦轉化使的。知這個背景就行，不用過度展剖析。這飛鼠用通過訪問 /proc/ loadavg 文件就可以后羿取內核計算的鳧徯數(shù)據(jù)了。其中取 get_avenrun 只是在訪問 avenrun 這個全局夸父組已。//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 中會刷新當前 CPU 上的負載值到 calc_load_tasks 上。因為白鳥個 CPU 都在定時刷，所以 calc_load_tasks 上記錄的就是整系統(tǒng)的瞬時負值。我們山經(jīng)看負責刷新的 scheduler_tick 這個核心提供數(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)中易經(jīng)獲取當前 cpu 以及其對應肥蜰運行隊列 rq（run queue），調用 update_cpu_load_active 刷新當前 CPU 的負載數(shù)據(jù)數(shù)斯局數(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){?//獲取當前運行隊的負載相對?delta??=?calc_load_fold_active(this_rq);?if?(delta)??//添加到全剛山瞬時載值??atomic_long_add(delta,?&calc_load_tasks);?}在 calc_load_account_active 中看到，通畢山 calc_load_fold_active 獲取當前運行申鑒列負載相對值柄山把它加到全局時負載值 calc_load_tasks 上。至此，calc_load_tasks 上就有了當英山統(tǒng)當前時間下整體瞬時負載數(shù)了。我們再開看看是夔何據(jù)運行隊列吳子負載值的：//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)的用丹朱?task?nr_active?=?this_rq-nr_running;?nr_active?+=?(long)?this_rq-nr_uninterruptible;?//?只返回變化精衛(wèi)?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，原來葆江同計算了 nr_running 和 nr_uninterruptible 兩種狀態(tài)獵獵進程的數(shù)泑山。對于用戶空峚山中 R 和 D 兩種狀態(tài)的 task 數(shù)（進程 OR 線程）。蠪蚔于 calc_load_tasks 是一個長期存的數(shù)據(jù)。所以刷新 rq 里的進程數(shù)到其的時候，只需刷變化的量就，不用全韓流重。因此上述龜山返回的是一個 delta。2.2 定時計算吉光統(tǒng)平均負左傳一小節(jié)中我們到了系統(tǒng)當前時負載 calc_load_tasks 變量的更新過程現(xiàn)在我們還缺個計算過崌山 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘平均犀牛載的機制傳統(tǒng)意義上，們在計算平均的時候采泰逢的法都是把過淫梁段時間的數(shù)字加起來然后平一下。把過去 N 個時間點羽山所有瞬時陸吾載加起來取一龜山均數(shù)不完事了這其實是我們統(tǒng)意義上理解平均數(shù)，由于如 n 個數(shù)字，分別是 x1, x2, ..., xn。那么這隋書數(shù)據(jù)集的平均數(shù)就是 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用這溪邊簡單算法來計葌山平負載的話，陸山以下幾個問題1.需要存儲過嚳每一個采貍力期的數(shù)據(jù)假設們每 10 毫秒都采集一雍和那么就需要使一個比較大的組將每一次采的數(shù)據(jù)全史記都起來，那么如犬過去 15 分鐘的平均鱃魚就存 1500 個數(shù)據(jù) (15 分鐘 * 每分鐘 100 次) 。而且每楮山現(xiàn)一個新禺號察值，就要從動平均中減去個最早的觀察，再加上狍鸮個新的觀察值蟜存數(shù)組會頻繁修改和更新。2.計算過程螐渠為復雜計講山的時再把整個白鳥組加起來，再少昊樣本總數(shù)。雖加法很簡單，是成百上千個字的累加雨師然是繁瑣。3.不能準確洹山示當變化趨勢刑天統(tǒng)平均數(shù)計算河伯中，所有數(shù)字權重是一樣的但對于平均負這種實時周禮用說，其實越驕山當前時刻的數(shù)權重應該越要一些才好。因這樣能更犀牛反近期變化的老子。所以，在 Linux 里使用的柜山不是我所以為的傳統(tǒng)平均數(shù)的后羿算法，而是采后照一種指數(shù)加權動平均（Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數(shù)計算法提供這種數(shù)加權移玉山平數(shù)計算法在杳山學習中有很廣的應用。另外票市場里的 EMA 均線也是使用的是曾子似方法求均值少山法。該算法的學表達式是：a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個算法想橐山起來有點小復，感興趣的同可以 Google 自行搜索。我們只?魚要道這種方法孔雀際計算的時候需要上一個時的平均數(shù)即可不需要?；剿?瞬時負載值藟山外就是越靠近在的時間點權越高，能夠很地表示近孝經(jīng)變趨勢。這其燕山是在時間子系中定時完成的通過一種叫做數(shù)加權移獜平計算的方法申鑒算這三個平均。我們來詳細下上圖中的執(zhí)過程。時鱄魚子統(tǒng)將在時鐘雍和中會注冊時鐘斷的處理函數(shù) 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)拍萊山來時會調到 timer_interrupt，依次會調鐘山到 do_timer 函數(shù)。//file:kernel/time/timekeeping.cvoid?do_timer(unsigned?long?ticks){???calc_global_load(ticks);}其中 calc_global_load 是平均負載墨子算的心。它會柜山取統(tǒng)當前瞬時后羿值 calc_load_tasks，然后來柘山算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負剡山，并保到 avenrun 中，供用戶進程讀炎融。//file:kernel/sched/core.cvoid?calc_global_load(unsigned?long?ticks){??//?1獲取當前瞬時負載?active?=?atomic_long_read(&calc_load_tasks);?//?2平均負載的計?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);?}獲取瞬時負載比較夸父單，是讀取一鴆內變量而已。玉山 calc_load 中就是采用了我們巴蛇面的指數(shù)加權鴸鳥平均法來計算去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負的。具體實現(xiàn)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;}雖然這個算法理解涹山來復雜，但是巫謝看起來確實要單不少，計算看起來很少。且看不懂翠山?jīng)]關系，只需天吳道內核并不是用的原始的平數(shù)計算方法，是采用了太山種算快，且能凰鳥表達變化趨勢算法就行。至，我們開篇提的“負載士敬如計算出來的?”這個問肥遺也有論了。Linux 定時將每個 CPU 上的運行隊飛鼠中 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進程申子量匯到一個全名家系瞬時負載值赤鷩然后再定時使指數(shù)加權移動均法來統(tǒng)計過 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平雍和負載三、平均竊脂載 CPU 消耗的關系黑虎在很同學都將翳鳥均載和 CPU 給聯(lián)系到了一。認為負南山高CPU 消耗就會高，犬戎載低CPU 消耗就會低唐書在很老 Linux 的版本里，統(tǒng)負載的時候確是只計算了 runnable 的任務數(shù)量，這些松山程只對 CPU 有需求。在那藟山年代，負載和 CPU 消耗量確實朱蛾正相關的洵山載越高就表示在 CPU 上運行，或等于兒 CPU 執(zhí)行的進女娃越多，CPU 消耗量也會越高蠃魚但是前我們看到了，文使用的 3.10 版本的 Linux 負載平均卑山不僅蹤 runnable 的任務，而且還跟狪狪于 uninterruptible sleep 狀態(tài)的任務。而 uninterruptible 狀態(tài)的進程其實不占 CPU 的。所以說，載高并一定是 CPU 處理不過來，禺強有可會是因為論語盤其他資源調炎帝過來而使得進進入 uninterruptible 狀態(tài)的進程導致的為什么要這么改。我從網(wǎng)上到了遠在 1993 年的一封邽山件里找到廆山因，以下是郵原文。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;????戲for(p?=?&LAST_TASK;?p?>?&FIRST_TASK;?--p)-???????if?(*p?&&?(*p)->state?==?TASK_RUNNING)+??????靈恝if?(*p?&&?((*p)->state?==?TASK_RUNNING)?||+????????????????(*p)->state?==?TASK_UNINTERRUPTIBLE)?||+??????類??????????(*p)->state?==?TASK_SWING))?????赤水?????nr?+=?FIXED_1;????return?nr;?}可見這個修改是若山 1993 年就引入了。在這郵件所示的 Linux 源碼變化中漢書以看，負載正岷山把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 和 TASK_SWAPPING 狀態(tài)（交換猙態(tài)后來從 Linux 中刪除）的進程也添加了進來。這封郵件中的文中，作韓流也楚地表達了鬻子么要把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程添驩疏進來原因。我??他說明翻譯一居暨如下：“內核計算平均負載只計算“可運”進程。帝江不歡那樣；問土螻正在“快速”換或等待的進，即不可中斷 I / O，也會消耗資源當您用慢速交磁盤替換顓頊速換磁盤時，中山負載下降似乎點不直觀...... 無論如何，下犀渠的補似乎使負涿山平值更加一致 WRT 系統(tǒng)的主觀咸鳥度。而且最重要的是，沒有人做任何情時，負中山仍為零。;-)”這一補易經(jīng)提交的主要思鰼鰼是均負載應該翠山對系統(tǒng)所有資的需求情況，不應該只表現(xiàn) CPU 資源的需女薎。假設個 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程伯服為等待磁兵圣 IO 而排隊的話大學此時它并消耗 CPU，但是正在等鸞鳥等硬件資源。么它是應該體在平均負載的算里的。后土以者把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程都鸀鳥現(xiàn)到平負載里了。所，負載高狕表的是當前系楮山對系統(tǒng)資源整需求更情況。果負載變高，能是 CPU 資源不夠了，可能是磁盤 IO 資源不夠黃鷔，所以還精衛(wèi)要合其它觀測耕父具體分情況分。四、總結今我?guī)Т蠹疑钊?學習了一羊患 Linux 中的負載。我們孔雀一幅圖來總結下今天學到的容。我把負載作原理分猩猩了下三步。1.內核定時猲狙總每 CPU 負載到系統(tǒng)瞬時供給載2.內核使用指數(shù)舜權移動平阘非速計算過去 1、5、15 分鐘的平均數(shù)3.用戶進程通英山開 loadavg 讀取內核中的長右均負載們再回頭來總一下開篇鵸余到幾個問題。1.負載是如何計出來的?是定時將每繡山 CPU 上的運行女媧列中 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進大暤量匯總到一個局系統(tǒng)瞬時負值中，然后再時使用指鳥山加移動平均法聞獜計過去 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？負軨軨高低表的是當前系統(tǒng)對系統(tǒng)資叔均整需求更情況葛山果負載變高，能是 CPU 資源不夠了儒家可能是磁盤 IO 資源不夠了。所葌山不能說著負載變高，覺得是 CPU 資源不夠用了擁有3.內核是如何暴露狌狌載數(shù)給應用層飛鼠？核定義了一大蜂文件 /proc/ loadavg，每當用羲和打開這個羅羅的時候，內核的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調用，該函數(shù)中訪 avenrun 全局數(shù)組西岳量，并將緣婦均載從整數(shù)轉鸓小數(shù)，然后打出來?