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本文來(lái)自信公眾號(hào)開(kāi)發(fā)內(nèi)功煉 （ID：kfngxl），作者：張彥 allen大家好，我是飛哥負(fù)載是查 Linux 服務(wù)器運(yùn)行狀態(tài)很常用的個(gè)性能指。在觀察上服務(wù)器行狀況的候，我們是經(jīng)常把載找出來(lái)一看。在上請(qǐng)求壓過(guò)大的時(shí)，經(jīng)常是伴隨著負(fù)的飆高。是負(fù)載的理你真的解了嗎？來(lái)列舉幾問(wèn)題，看你對(duì)負(fù)載理解是否夠的深刻負(fù)載是如計(jì)算出來(lái)?負(fù)載高低和 CPU 消耗正相關(guān)嗎？?jī)?nèi)是如何暴負(fù)載數(shù)據(jù)應(yīng)用層的如果你對(duì)上問(wèn)題的解還拿捏是很準(zhǔn)，么飛哥今就帶你來(lái)入地了解下 Linux 中的負(fù)載！一理解負(fù)載看過(guò)程我經(jīng)常用 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負(fù)載況。一個(gè)型的 top 命令輸出的負(fù)載下所示。#?topLoad?Avg:?1.25,?1.30,?1.95??...........輸出中的 Load Avg 就是我們常說(shuō)的載，也叫統(tǒng)平均負(fù)。因?yàn)閱?某一個(gè)瞬的負(fù)載值沒(méi)有太大義。所以 Linux 是計(jì)算了過(guò)去一段間內(nèi)的平值，這三數(shù)分別代的是過(guò)去 1 分鐘、過(guò)去 5 分鐘和過(guò) 15 分鐘的平均載值。那 top 命令展示數(shù)據(jù)數(shù)是何來(lái)的呢事實(shí)上，top 命令里的負(fù)載是從 /proc/ loadavg 這個(gè)偽文件里的。通過(guò) strace 命令跟蹤 top 命令的系統(tǒng)調(diào)用可看的到這過(guò)程。#?strace?topopenat(AT_FDCWD,?"/proc/loadavg",?O_RDONLY)?=?7內(nèi)核中定義了 loadavg 這個(gè)偽文件的 open 函數(shù)。當(dāng)用態(tài)訪問(wèn) /proc/ loadavg 會(huì)觸發(fā)內(nèi)核義的函數(shù)在這里會(huì)取內(nèi)核中平均負(fù)載量，簡(jiǎn)單算后便可示出來(lái)。體流程如圖所示。們根據(jù)上流程圖再開(kāi)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(huì)建 /proc/ loadavg，并為其指定操作法 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(kāi)該文時(shí)對(duì)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(kāi) /proc/ loadavg 文件時(shí)，會(huì)調(diào)用 loadavg_proc_fops 中的 open 函數(shù)指針 - loadavg_proc_open。loadavg_proc_open 接下來(lái)會(huì)調(diào)用 loadavg_proc_show 進(jìn)行處理，核的計(jì)算是這里完成。//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?get_avenrun(avnrun,?FIXED_1/200,?0);?//打印輸出平負(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)前載值將平負(fù)載值按一定的格打印輸出上面的源中，大家到了 FIXED_1/200、LOAD_INT、LOAD_FRAC 等奇奇怪怪定義，代寫的這么瑣是因?yàn)?核中并沒(méi) float、double 等浮點(diǎn)數(shù)類，而是用數(shù)來(lái)模擬。這些代都是為了整數(shù)和小之間轉(zhuǎn)化的。知道個(gè)背景就了，不用度展開(kāi)剖。這樣用通過(guò)訪問(wèn) /proc/ loadavg 文件就可讀取到內(nèi)計(jì)算的負(fù)數(shù)據(jù)了。中獲取 get_avenrun 只是在訪問(wèn) avenrun 這個(gè)全局組而已。//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(huì)刷新前 CPU 上的負(fù)載值到 calc_load_tasks 上。因?yàn)槊? CPU 都在定時(shí)，所以 calc_load_tasks 上記錄的是整個(gè)系的瞬時(shí)負(fù)值。我們看下負(fù)責(zé)新的 scheduler_tick 這個(gè)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(gè)函數(shù)中，獲當(dāng)前 cpu 以及其對(duì)應(yīng)的運(yùn)隊(duì)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(dāng)前運(yùn)行列的負(fù)載對(duì)值?delta??=?calc_load_fold_active(this_rq);?if?(delta)??//添加到全局瞬負(fù)載值?atomic_long_add(delta,?&calc_load_tasks);?}在 calc_load_account_active 中看到，過(guò) calc_load_fold_active 獲取當(dāng)前運(yùn)隊(duì)列的負(fù)相對(duì)值，把它加到局瞬時(shí)負(fù)值 calc_load_tasks 上。至此，calc_load_tasks 上就有了當(dāng)系統(tǒng)當(dāng)前間下的整瞬時(shí)負(fù)載數(shù)了。我再展開(kāi)看是如何根運(yùn)行隊(duì)列算負(fù)載值：//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?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(lái)是同時(shí)算了 nr_running 和 nr_uninterruptible 兩種狀態(tài)進(jìn)程的數(shù)。對(duì)應(yīng)于戶空間中 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(gè)長(zhǎng)期在的數(shù)據(jù)所以在刷 rq 里的進(jìn)程數(shù)其上的時(shí)，只需要變化的量行，不用部重算。此上述函返回的是個(gè) delta。2.2 定時(shí)計(jì)算系統(tǒng)平負(fù)載上一節(jié)中我們到了系統(tǒng)前瞬時(shí)負(fù) calc_load_tasks 變量的更新過(guò)程現(xiàn)在我們缺一個(gè)計(jì)過(guò)去 1 分鐘、過(guò) 5 分鐘、過(guò)去 15 分鐘平均負(fù)載的制。傳統(tǒng)義上，我在計(jì)算平數(shù)的時(shí)候取的方法是把過(guò)去段時(shí)間的字都加起然后平均下。把過(guò) N 個(gè)時(shí)間點(diǎn)的所瞬時(shí)負(fù)載加起來(lái)取個(gè)平均數(shù)完事了。其實(shí)是我傳統(tǒng)意義理解的平數(shù)，假如 n 個(gè)數(shù)字，分別 x1, x2, ..., xn。那么這個(gè)數(shù)據(jù)集的平均數(shù)是 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用這種單的算法計(jì)算平均載的話，在以下幾問(wèn)題：1.需要存儲(chǔ)去每一個(gè)樣周期的據(jù)假設(shè)我每 10 毫秒都采一次，那就需要使一個(gè)比較的數(shù)組將一次采樣數(shù)據(jù)全部存起來(lái)，么統(tǒng)計(jì)過(guò) 15 分鐘的平均就得存 1500 個(gè)數(shù)據(jù) (15 分鐘 * 每分鐘 100 次) 。而且每出現(xiàn)個(gè)新的觀值，就要移動(dòng)平均減去一個(gè)早的觀察，再加上個(gè)最新的察值，內(nèi)數(shù)組會(huì)頻地修改和新。2.計(jì)算過(guò)程較復(fù)雜計(jì)算時(shí)候再把個(gè)數(shù)組全起來(lái)，再以樣本總。雖然加很簡(jiǎn)單，是成百上個(gè)數(shù)字的加仍然很繁瑣。3.不能準(zhǔn)確示當(dāng)前變趨勢(shì)傳統(tǒng)平均數(shù)計(jì)過(guò)程中，有數(shù)字的重是一樣。但對(duì)于均負(fù)載這實(shí)時(shí)應(yīng)用說(shuō)，其實(shí)靠近當(dāng)前刻的數(shù)值重應(yīng)該越大一些才。因?yàn)檫@能更好反近期變化趨勢(shì)。所，在 Linux 里使用的并是我們所為的傳統(tǒng)平均數(shù)的算方法，是采用的種指數(shù)加移動(dòng)平均Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均計(jì)算法。種指數(shù)加移動(dòng)平均計(jì)算法在度學(xué)習(xí)中很廣泛的用。另外票市場(chǎng)里 EMA 均線也是用的是類的方法求值的方法該算法的學(xué)表達(dá)式：a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個(gè)算法想理解來(lái)有點(diǎn)小雜，感興的同學(xué)可 Google 自行搜索。我只需要知這種方法實(shí)際計(jì)算時(shí)候只需上一個(gè)時(shí)的平均數(shù)可，不需保存所有時(shí)負(fù)載值另外就是靠近現(xiàn)在時(shí)間點(diǎn)權(quán)越高，能很好地表近期變化勢(shì)。這其也是在時(shí)子系統(tǒng)中時(shí)完成的通過(guò)一種做指數(shù)加移動(dòng)平均算的方法計(jì)算這三平均數(shù)。們來(lái)詳細(xì)下上圖中執(zhí)行過(guò)程時(shí)間子系將在時(shí)鐘斷中會(huì)注時(shí)鐘中斷處理函數(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(dāng)每次時(shí)鐘節(jié)拍到時(shí)會(huì)調(diào)用 timer_interrupt，依次會(huì)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(jì)算的心。它會(huì)取系統(tǒng)當(dāng)瞬時(shí)負(fù)載 calc_load_tasks，然后來(lái)計(jì)算過(guò)去 1 分鐘、過(guò)去 5 分鐘、過(guò) 15 分鐘的平均載，并保到 avenrun 中，供用進(jìn)程讀取//file:kernel/sched/core.cvoid?calc_global_load(unsigned?long?ticks){??//?1獲取當(dāng)前時(shí)負(fù)載?active?=?atomic_long_read(&calc_load_tasks);?//?2平均負(fù)載的算?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(shí)負(fù)載比簡(jiǎn)單，就讀取一個(gè)存變量而。在 calc_load 中就是采用了們前面說(shuō)指數(shù)加權(quán)動(dòng)平均法計(jì)算過(guò)去 1 分鐘、過(guò)去 5 分鐘、過(guò) 15 分鐘的平均載的。具實(shí)現(xiàn)的代如下：//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(gè)算法解起來(lái)挺雜，但是碼看起來(lái)實(shí)要簡(jiǎn)單少，計(jì)算看起來(lái)很。而且看懂也沒(méi)有系，只需知道內(nèi)核不是采用原始的平數(shù)計(jì)算方，而是采了一種計(jì)快，且能好表達(dá)變趨勢(shì)的算就行。至，我們開(kāi)提到的“載是如何算出來(lái)的?”這個(gè)問(wèn)也有結(jié)論。Linux 定時(shí)將每個(gè) CPU 上的運(yùn)行隊(duì)列中 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進(jìn)程數(shù)量總到一個(gè)局系統(tǒng)瞬負(fù)載值中然后再定使用指數(shù)權(quán)移動(dòng)平法來(lái)統(tǒng)計(jì)去 1 分鐘、過(guò)去 5 分鐘、過(guò)去 15 分鐘的平均負(fù)載。、平均負(fù)和 CPU 消耗的關(guān)系現(xiàn)在很同學(xué)都將均負(fù)載和 CPU 給聯(lián)系到了起。認(rèn)為載高、CPU 消耗就會(huì)高，負(fù)低，CPU 消耗就會(huì)低。在很的 Linux 的版本里，統(tǒng)負(fù)載的時(shí)確實(shí)是只算了 runnable 的任務(wù)數(shù)量，這進(jìn)程只對(duì) CPU 有需求。在個(gè)年代里負(fù)載和 CPU 消耗量確實(shí)是相關(guān)的。載越高就示正在 CPU 上運(yùn)行，或等 CPU 執(zhí)行的進(jìn)越多，CPU 消耗量也會(huì)越高但是前面們看到了本文使用 3.10 版本的 Linux 負(fù)載平均數(shù)不僅跟 runnable 的任務(wù)，且還跟蹤于 uninterruptible sleep 狀態(tài)的任務(wù)而 uninterruptible 狀態(tài)的進(jìn)程其是不占 CPU 的。所以說(shuō)，載高并一是 CPU 處理不過(guò)來(lái)，也有能會(huì)是因磁盤等其資源調(diào)度過(guò)來(lái)而使進(jìn)程進(jìn)入 uninterruptible 狀態(tài)的進(jìn)程導(dǎo)致的為什么要么修改。從網(wǎng)上搜了遠(yuǎn)在 1993 年的一封郵里找到了因，以下郵件原文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)?||+???????????????(*p)->state?==?TASK_UNINTERRUPTIBLE)?||+????????????????(*p)->state?==?TASK_SWING))???????????nr?+=?FIXED_1;????return?nr;?}可見(jiàn)這個(gè)修改在 1993 年就引入了。在封郵件所的 Linux 源碼變化中可看到，負(fù)正式把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 和 TASK_SWAPPING 狀態(tài)（交換狀態(tài)后從 Linux 中刪除）的進(jìn)也給添加進(jìn)來(lái)。在封郵件中正文中，者也清楚表達(dá)了為么要把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進(jìn)添加進(jìn)來(lái)原因。我他的說(shuō)明譯一下，下：“內(nèi)在計(jì)算平負(fù)載時(shí)只算“可運(yùn)”進(jìn)程。不喜歡那；問(wèn)題是在“快速交換或等的進(jìn)程，不可中斷 I / O，也會(huì)消耗資源。您用慢速換磁盤替快速交換盤時(shí)，平負(fù)載下降乎有點(diǎn)不觀...... 無(wú)論如何，下的補(bǔ)丁似使負(fù)載平值更加一 WRT 系統(tǒng)的主速度。而，最重要是，當(dāng)沒(méi)人做任何情時(shí)，負(fù)仍然為零;-)”這一補(bǔ)丁提者的主要想是平均載應(yīng)該表對(duì)系統(tǒng)所資源的需情況，而應(yīng)該只表對(duì) CPU 資源的需求。假設(shè)個(gè) TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進(jìn)程因等待磁盤 IO 而排隊(duì)的話，時(shí)它并不耗 CPU，但是正等磁盤等件資源。么它是應(yīng)體現(xiàn)在平負(fù)載的計(jì)里的。所作者把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進(jìn)都表現(xiàn)到均負(fù)載里。所以，載高低表的是當(dāng)前統(tǒng)上對(duì)系資源整體求更情況如果負(fù)載高，可能 CPU 資源不夠，也可能磁盤 IO 資源不夠了，所以需要配合它觀測(cè)命具體分情分析。四總結(jié)今天帶大家深地學(xué)習(xí)了下 Linux 中的負(fù)載。我根據(jù)一幅來(lái)總結(jié)一今天學(xué)到內(nèi)容。我負(fù)載工作理分成了下三步。1.內(nèi)核定時(shí)匯總每 CPU 負(fù)載到系統(tǒng)瞬負(fù)載2.內(nèi)核使用指加權(quán)移動(dòng)均快速計(jì)過(guò)去 1、5、15 分鐘的平數(shù)3.用戶進(jìn)程通過(guò)開(kāi) loadavg 讀取內(nèi)核的平均負(fù)我們?cè)倩?來(lái)總結(jié)一開(kāi)篇提到幾個(gè)問(wèn)題1.負(fù)載是如何計(jì)算來(lái)的?是定時(shí)將每個(gè) CPU 上的運(yùn)行隊(duì)中 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進(jìn)程量匯總到個(gè)全局系瞬時(shí)負(fù)載中，然后定時(shí)使用數(shù)加權(quán)移平均法來(lái)計(jì)過(guò)去 1 分鐘、過(guò)去 5 分鐘、過(guò)去 15 分鐘的平均負(fù)。2.負(fù)載高低和 CPU 消耗正相關(guān)嗎負(fù)載高低明的是當(dāng)系統(tǒng)上對(duì)統(tǒng)資源整需求更情。如果負(fù)變高，可是 CPU 資源不夠了，也可是磁盤 IO 資源不夠了。所不能說(shuō)看負(fù)載變高就覺(jué)得是 CPU 資源不夠用。3.內(nèi)核是如何暴負(fù)載數(shù)據(jù)應(yīng)用層的內(nèi)核定義一個(gè)偽文 /proc/ loadavg，每當(dāng)用打開(kāi)這個(gè)件的時(shí)候內(nèi)核中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會(huì)被調(diào)到，該函中訪問(wèn) avenrun 全局?jǐn)?shù)組變量，將平均負(fù)從整數(shù)轉(zhuǎn)為小數(shù)，后打印出?