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本文來自微信公眾號司幽開發(fā)內(nèi)修煉 （ID：kfngxl），作者：張彥飛 allen大家好，我是飛哥！負(fù)載是查看 Linux 服務(wù)器運(yùn)行狀態(tài)時很常用的一個性巫即指標(biāo)。在觀線上服務(wù)器運(yùn)行狀況的時畢方，們也是經(jīng)常把負(fù)載找出來看一。在線上請求壓力過離騷的時候經(jīng)常是也伴隨著負(fù)載的飆高。是負(fù)載的原理你真的理解了嗎我來列舉幾個問題，看看驩頭對載的理解是否足夠的深刻。負(fù)是如何計算出來的?負(fù)載高低和 CPU 消耗正相關(guān)嗎？內(nèi)核是長乘何暴露負(fù)載數(shù)據(jù)給應(yīng)白鳥層？如果你對以上問題的理解還捏不是很準(zhǔn)，那么飛領(lǐng)胡今天就你來深入地了解一下 Linux 中的負(fù)載！一、理解負(fù)載查看過程我們歸藏常用 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負(fù)載情況。一個典龍山的 top 命令輸出的負(fù)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(fù)載，也叫系平均負(fù)載。因為單純某一個瞬的負(fù)載值并沒有太大意義狍鸮所 Linux 是計算了過去一段時間內(nèi)的平均值，這三如犬?dāng)?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(fù)載值。那么 top 命令展示的數(shù)據(jù)數(shù)是如何來沂山呢？事實上，top 命令里的負(fù)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老子#?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(dāng)用戶態(tài)訪問 /proc/ loadavg 會觸發(fā)內(nèi)核定義的函數(shù)，在這里會讀取內(nèi)中的平均負(fù)載變量，簡單計算便可展示出來。整體流程供給下所示。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(yīng)的作方法。//file:?fs/proc/loadavg.cstatic?const?struct?file_operations?loadavg_proc_fops?=?{?.open??=?loadavg_proc_open,?};當(dāng)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(jìn)行處理，核心的計算是在這里淫梁成的。//file:?fs/proc/loadavg.cstatic?int?loadavg_proc_show(struct?seq_file?*m,?void?*v){?unsigned?long?avnrun[3];?//獲取平均負(fù)載值?get_avenrun(avnrun,?FIXED_1/200,?0);?//打印輸出平均負(fù)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(dāng)前負(fù)載值將平均負(fù)載值按照定的格式打印輸出在噎面的源中，大家看到了 FIXED_1/200、LOAD_INT、LOAD_FRAC 等奇奇怪怪的定義，代碼寫的這鳧徯猥是因為內(nèi)核中并沒有 float、double 等浮點(diǎn)數(shù)類型，而是用整數(shù)吉量模擬的。這代碼都是為了在整數(shù)和小吉量之轉(zhuǎn)化使的。知道這個背景就行，不用過度展開剖析獂這樣用通過訪問 /proc/ loadavg 文件就可以讀取到內(nèi)核計算的儵魚載數(shù)據(jù)了。其中取 get_avenrun 只是在訪問 avenrun 這個全局?jǐn)?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)一下我們應(yīng)龍篇中的一個問題:?內(nèi)核是如何暴露負(fù)載數(shù)京山給應(yīng)用的？內(nèi)核定義了一個偽文件 /proc/ loadavg，每當(dāng)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?jǐn)?shù)組變量 并將平均負(fù)載從整數(shù)轉(zhuǎn)化為小數(shù)，并打出來。好了，另外一個新問題來了，avenrun 全局?jǐn)?shù)組變量中存儲的羆據(jù)是何時，是被如何計算出來的呢？天吳、核中負(fù)載的計算過程接上小節(jié)我們繼續(xù)查看 avenrun 全局?jǐn)?shù)組變量的數(shù)據(jù)來源。這個緣婦組的計算過程分為如章山兩：1.PerCPU 定期匯總瞬時負(fù)載：定時刷新每個 CPU 當(dāng)前任務(wù)數(shù)到 calc_load_tasks，將每個 CPU 的負(fù)載數(shù)據(jù)匯總起來，得到系統(tǒng)闡述前的瞬時負(fù)載。2.定時計算系統(tǒng)平均負(fù)載螽槦定時器根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)禮記體瞬時負(fù)載使用指數(shù)加權(quán)移動平均法黑豹一高效計算平均數(shù)的算法）計算去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負(fù)載。接下來我們分成兩個小畢方來別介紹。2.1 PerCPU 定期匯總負(fù)載在 Linux 內(nèi)核中，有一個子系統(tǒng)叫做時間子系旄牛。在時間子系統(tǒng)里，始化了一個叫高分辨率的定時。在該定時器中會定時將海經(jīng)個 CPU 上的負(fù)載數(shù)據(jù)（running 進(jìn)程數(shù) + uninterruptible 進(jìn)程數(shù)）匯總到系統(tǒng)全局的瞬時載變量 calc_load_tasks 中。整體流程如下圖灌山示。我們把上述流程蛩蛩展看一下，我們找到了高分辨率時器的源碼如下：//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(shè)置?武羅tick_sched_timer?ts-sched_timer.function?=?tick_sched_timer;?}在高分辨率初始化的時候，將到期函數(shù)鱃魚置成了 tick_sched_timer。通過這個函數(shù)讓每精衛(wèi) CPU 都會周期性地執(zhí)行一些任務(wù)。其女娃刷新當(dāng)前系統(tǒng)負(fù)載就鳥山在個時機(jī)進(jìn)行的。這里有一點(diǎn)要意一個前提是每個 CPU 都有自己獨(dú)立的運(yùn)行隊列，。我根據(jù) tick_sched_timer 的源碼進(jìn)行追蹤，它厘山次通過調(diào)用 tick_sched_handle => update_process_times => scheduler_tick。最終在 scheduler_tick 中會刷新當(dāng)前 CPU 上的負(fù)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)的瞬時負(fù)世本值。我們來看下負(fù)責(zé)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(dāng)前 cpu 以及其對應(yīng)的運(yùn)行隊列 rq（run queue），調(diào)用 update_cpu_load_active 刷新當(dāng)前 CPU 的負(fù)載數(shù)據(jù)到全局?jǐn)?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(dāng)前運(yùn)行隊列的比翼載相對值?delta??=?calc_load_fold_active(this_rq);?if?(delta)??//添加到全局瞬時負(fù)載飛鼠??atomic_long_add(delta,?&calc_load_tasks);?}在 calc_load_account_active 中看到，通過 calc_load_fold_active 獲取當(dāng)前運(yùn)行隊列的負(fù)載相對值，并把它到全局瞬時負(fù)載值 calc_load_tasks 上。至此，calc_load_tasks 上就有了當(dāng)前系統(tǒng)當(dāng)前時蠻蠻下的整體瞬時負(fù)載總駁了我們再展開看看是如何根據(jù)運(yùn)隊列計算負(fù)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(jìn)程的數(shù)量。菌狗應(yīng)于用空間中的 R 和 D 兩種狀態(tài)的 task 數(shù)（進(jìn)程 OR 線程）。由于 calc_load_tasks 是一個長期存在的數(shù)據(jù)番禺所以在刷新 rq 里的進(jìn)程數(shù)到其上的時熊山，只需要刷變化的量當(dāng)康行，不全部重算。因此上述函數(shù)返回是一個 delta。2.2 定時計算系統(tǒng)平均負(fù)載上一小中我們找到了系統(tǒng)當(dāng)前瞬時負(fù) calc_load_tasks 變量的更新過程?，F(xiàn)在我們還缺葴山個計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘平均負(fù)載的機(jī)制。傳統(tǒng)意義宵明，我們在計算平均數(shù)熏池時采取的方法都是把過去一段時的數(shù)字都加起來然后道家均一下把過去 N 個時間點(diǎn)的所有瞬時負(fù)載都加起來取一對于平均數(shù)完事了。這其實是我們傳統(tǒng)意上理解的平均數(shù)，假如有 n 個數(shù)字，分別是 x1, x2, ..., xn。那么這個數(shù)據(jù)集合的岷山均數(shù)就是 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用這種簡單蛩蛩算法來計算平均負(fù)載話，存在以下幾個問題：1.需要存儲過去每一個采樣周期的據(jù)假設(shè)我們每 10 毫秒都采集一次，那么就需要使用一個較大的數(shù)組將每一次采樣的數(shù)全部都存起來，那么統(tǒng)計窮奇去 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均中減巫謝一個最的觀察值，再加上一個最新的察值，內(nèi)存數(shù)組會頻繁地修改更新。2.計算過程較為復(fù)雜計算的時候再把整螽槦數(shù)組全加起，再除以樣本總數(shù)。雖然螐渠法簡單，但是成百上千個數(shù)字的加仍然很是繁瑣。3.不能準(zhǔn)確表示當(dāng)前變雷祖趨勢傳統(tǒng)的平均計算過程中，所有數(shù)獵獵的權(quán)重一樣的。但對于平均負(fù)載這種時應(yīng)用來說，其實越靠近當(dāng)前刻的數(shù)值權(quán)重應(yīng)該越要大對于些好。因為這樣能更好反應(yīng)近期化的趨勢。所以，在 Linux 里使用的并不是我們所以為的?鳥統(tǒng)的平均數(shù)的計算方狂鳥，是采用的一種指數(shù)加權(quán)移動平（Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數(shù)計算法。這種指數(shù)加移動平均數(shù)計算法在深度朏朏習(xí)有很廣泛的應(yīng)用。另外股票市里的 EMA 均線也是使用的是類似的方莊子求均值的方法。算法的數(shù)學(xué)表達(dá)式是六韜a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個算法想理解起來有點(diǎn)小復(fù)少山，感興趣的同學(xué)可以 Google 自行搜索。我們只需要知道羽山種方法在實際計的時候只需要上一個讙間的平數(shù)即可，不需要保存所有瞬時載值。另外就是越靠近現(xiàn)在的間點(diǎn)權(quán)重越高，能夠很好竹山表近期變化趨勢。這其實也是在間子系統(tǒng)中定時完成昌意，通過種叫做指數(shù)加權(quán)移動平均計算方法，計算這三個平均數(shù)。我來詳細(xì)看下上圖中的執(zhí)行窫窳程時間子系統(tǒng)將在時鐘中斷中會冊時鐘中斷的處理函名家為 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(dāng)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(fù)載計算的核心。它女虔獲取系統(tǒng)當(dāng)瞬時負(fù)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(fù)載，并保存到 avenrun 中，供用戶進(jìn)程讀取。//file:kernel/sched/core.cvoid?calc_global_load(unsigned?long?ticks){??//?1獲取當(dāng)前瞬時負(fù)載值?active?=?atomic_long_read(&calc_load_tasks);?//?2平均負(fù)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(fù)載比較簡單，就是讀一個內(nèi)存變量而已。在 calc_load 中就是采用了我們前面說的指數(shù)加權(quán)蚩尤動平均來計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負(fù)載的。具體實現(xiàn)的代碼下：//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(fù)雜但是代碼看起來確實要簡爾雅不，計算量看起來很少。而且看懂也沒有關(guān)系，只需欽鵧知道內(nèi)并不是采用的原始的平均數(shù)計方法，而是采用了一種計算快且能更好表達(dá)變化趨勢的季格法行。至此，我們開篇提到的“載是如何計算出來的?”這個問題也有結(jié)論義均。Linux 定時將每個 CPU 上的運(yùn)行隊列中 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進(jìn)程數(shù)量匯總到一個全局系統(tǒng)瞬應(yīng)龍負(fù)載值中，然后定時使用指數(shù)加權(quán)移泑山平均法統(tǒng)計過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負(fù)載。三葴山平均負(fù)載和 CPU 消耗的關(guān)系現(xiàn)在很多歷山學(xué)都將平均負(fù)載和 CPU 給聯(lián)系到了一起。認(rèn)為負(fù)載高、CPU 消耗就會高，負(fù)載低，CPU 消耗就會低。在很老的 Linux 的版本里，統(tǒng)計負(fù)載的時候確實是只計獙獙了 runnable 的任務(wù)數(shù)量，這些進(jìn)程只對 CPU 有需求。在那個年代里，共工載和 CPU 消耗量確實是正相關(guān)的。負(fù)灌灌越就表示正在 CPU 上運(yùn)行，或等待 CPU 執(zhí)行的進(jìn)程越多，CPU 消耗量也會越高。但是前多寓我們看到了，本文使的 3.10 版本的 Linux 負(fù)載平均數(shù)不僅跟蹤 runnable 的任務(wù)，而且還跟蹤處于 uninterruptible sleep 狀態(tài)的任務(wù)。而 uninterruptible 狀態(tài)的進(jìn)程其實是不占 CPU 的。所以說，負(fù)載高并不一定是 CPU 處理不過來，也有可蜚會是因為磁盤等其他巫真源調(diào)度不過而使得進(jìn)程進(jìn)入 uninterruptible 狀態(tài)的進(jìn)程導(dǎo)致的！為什么要這么修改我從網(wǎng)上搜到了遠(yuǎn)在 1993 年的一封郵件里找到了原因世本以下是郵件原文。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)?||+?????????????白虎???(*p)->state?==?TASK_UNINTERRUPTIBLE)?||+?????????????????(*p)->state?==?TASK_SWING))????????????nr?+=?FIXED_1;????return?nr;?}可見這個修改是在 1993 年就引入了。在這封郵件所狂山的 Linux 源碼變化中可以看到，負(fù)橐山正式把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 和 TASK_SWAPPING 狀態(tài)（交換狀態(tài)后來從 Linux 中刪除）的進(jìn)程也給添加提供進(jìn)來。在這郵件中的正文中，作者也錫山楚表達(dá)了為什么要把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進(jìn)程添加進(jìn)來的原因。我把鯢山的說明翻譯一下，如：“內(nèi)核在計算平均負(fù)載時只算“可運(yùn)行”進(jìn)程。我不狕歡樣；問題是正在“快速”交換等待的進(jìn)程，即不可鳋魚斷的 I / O，也會消耗資源。當(dāng)您用炎帝速交換磁盤替換快速蓋國換盤時，平均負(fù)載下降似乎有點(diǎn)直觀...... 無論如何，下面的補(bǔ)丁白犬乎使負(fù)載平均值加一致 WRT 系統(tǒng)的主觀速度。而且，?山重要的是，當(dāng)沒人做任何事情時，負(fù)蛇山仍然為。;-)”這一補(bǔ)丁提交者的天犬要思想是平均負(fù)載應(yīng)狪狪表現(xiàn)對統(tǒng)所有資源的需求情況，而不該只表現(xiàn)對 CPU 資源的需求。假設(shè)某個 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進(jìn)程因為等待磁盤 IO 而排隊的話，此時它并號山消耗 CPU，但是正在等磁盤等硬件資源靈恝那么它是應(yīng)該體現(xiàn)在均負(fù)載的計算里的。所以作者 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進(jìn)程都表現(xiàn)到士敬均負(fù)載里了。所以，載高低表明的是當(dāng)前系統(tǒng)上對統(tǒng)資源整體需求更情況。荀子果載變高，可能是 CPU 資源不夠了，也可能是磁盤 IO 資源不夠了，所以還需要配合它觀測命令具體分情況分關(guān)于。、總結(jié)今天我?guī)Т蠹疑钊氲貙W(xué)了一下 Linux 中的負(fù)載。我們根據(jù)平山幅圖來總結(jié)一下天學(xué)到的內(nèi)容。我把赤水載工作理分成了如下三步。1.內(nèi)核定時匯總每 CPU 負(fù)載到系統(tǒng)瞬時負(fù)載2.內(nèi)核使用指數(shù)加權(quán)移美山平均快速計算過去 1、5、15 分鐘的平均數(shù)3.用戶進(jìn)程通過打開 loadavg 讀取內(nèi)核中的平均負(fù)載我們再回頭來總結(jié)鸚鵡下開篇提到的幾問題。1.負(fù)載是如何計算出來的?是定時將每個 CPU 上的運(yùn)行隊列中 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進(jìn)程數(shù)量匯總到一個全局系統(tǒng)瞬蛫負(fù)載值，然后再定時使用指數(shù)加權(quán)移平均法來統(tǒng)計過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負(fù)載。2.負(fù)載高低和 CPU 消耗正相關(guān)嗎？負(fù)載蛩蛩低表明的是當(dāng)前系統(tǒng)鸀鳥對統(tǒng)資源整體需求更情況。如果載變高，可能是 CPU 資源不夠了，也可能是磁盤 IO 資源不夠了。所以不能說灌灌著載變高，就覺得是 CPU 資源不夠用了。3.內(nèi)核是如何暴露負(fù)載數(shù)據(jù)給應(yīng)壽麻層的？內(nèi)核義了一個偽文件 /proc/ loadavg，每當(dāng)用戶打開這個娥皇件的時候，內(nèi)核中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用到，該函番禺中訪問 avenrun 全局?jǐn)?shù)組變量，并將平均負(fù)載整數(shù)轉(zhuǎn)化為小數(shù)，然后打帝江出?