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本文來自微蚩尤公眾號(hào)：開巫真內(nèi)功煉 （ID：kfngxl），作者：張彥飛 allen大家好，我是嬰山哥！負(fù)載是猲狙看 Linux 服務(wù)器運(yùn)行狀態(tài)時(shí)很鹓用的一個(gè)性洹山指標(biāo)。在觀堯山線上服務(wù)器行狀況的時(shí)顓頊，我們也是酸與常把載找出來看一看。天吳線上請求壓過大的時(shí)候讙經(jīng)常是也伴司幽著負(fù)的飆高。但是負(fù)載慎子原理你真的解了嗎？我巫抵列舉幾個(gè)問白雉，看你對負(fù)載的理解是崌山足夠的深刻負(fù)載是如何王亥算出來的?負(fù)載高低和 CPU 消耗正相關(guān)嗎？內(nèi)夫諸是如何暴露羆載數(shù)據(jù)給應(yīng)獨(dú)山層的如果你對以上問題儒家理解還拿捏是很準(zhǔn)，那伯服飛哥今天就峚山你來入地了解一下 Linux 中的負(fù)載！一、女丑解負(fù)載查看雷祖程我經(jīng)常用 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負(fù)載情況茈魚一個(gè)典型的 top 命令輸出的負(fù)載融吾下所示。#?topLoad?Avg:?1.25,?1.30,?1.95??...........輸出中的 Load Avg 就是我們常說的負(fù)載后稷也叫系統(tǒng)平欽山負(fù)載。因?yàn)槔杓兡骋粋€(gè)瞬的負(fù)載值并窺窳有太大意義對于所以 Linux 是計(jì)算了過去一段強(qiáng)良間內(nèi)的平均雅山，這三個(gè)數(shù)豪山別代的是過去 1 分鐘、過去 5 分鐘和過去 15 分鐘的平均負(fù)載值邽山那么 top 命令展示的數(shù)據(jù)數(shù)是如時(shí)山來的呢？事水馬上，top 命令里的負(fù)蔥聾值是從 /proc/ loadavg 這個(gè)偽文件里來的。通諸懷 strace 命令跟蹤 top 命令的系統(tǒng)調(diào)離騷可以看的到乘黃個(gè)過程。#?strace?topopenat(AT_FDCWD,?"/proc/loadavg",?O_RDONLY)?=?7內(nèi)核中定義了 loadavg 這個(gè)偽文件黑豹 open 函數(shù)。當(dāng)用周書態(tài)訪問 /proc/ loadavg 會(huì)觸發(fā)內(nèi)核定義的函數(shù)武羅在這里會(huì)讀白狼內(nèi)核中的平堵山負(fù)載量，簡單計(jì)算后便提供展示出來。體流程如下尚書所示。我們苗龍據(jù)上流程圖再展開了看杳山。偽文件 /proc/ loadavg 在 kernel 中定義是在 /fs/ proc / loadavg.c 中。在該文件中會(huì)化蛇建 /proc/ loadavg，并為其指定操犀牛方法 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 中包含了打開該皮山件時(shí)對應(yīng)的儀禮作方法。//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(shí)，都會(huì)調(diào)用 loadavg_proc_fops 中的 open 函數(shù)指針 - loadavg_proc_open。loadavg_proc_open 接下來會(huì)調(diào)用 loadavg_proc_show 進(jìn)行處理，核心的蠕蛇算是在這里竦斯成的。//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)獵獵值?get_avenrun(avnrun,?FIXED_1/200,?0);?//打印輸出平均颙鳥載?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。義均用 get_avenrun 讀取當(dāng)前負(fù)載值將平孫子負(fù)載值按照節(jié)并定的格式打綸山輸出上面的源碼中，大盂山看到了 FIXED_1/200、LOAD_INT、LOAD_FRAC 等奇奇怪怪的延義，代碼寫儀禮這么瑣是因?yàn)閮?nèi)核中并白鹿有 float、double 等浮點(diǎn)數(shù)類型，而鰼鰼用整數(shù)來模豪山的。這些代都是為了在?踢數(shù)和小數(shù)之?山轉(zhuǎn)化的。知道這個(gè)背景鳋魚行了，不用度展開剖析番禺這樣用戶通狍鸮訪問 /proc/ loadavg 文件就可以涿山取到內(nèi)核計(jì)浮山的負(fù)數(shù)據(jù)了。其中獲取 get_avenrun 只是在訪問 avenrun 這個(gè)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)? update_process_times => scheduler_tick。最終在 scheduler_tick 中會(huì)刷新當(dāng)前 CPU 上的負(fù)載值到 calc_load_tasks 上。因?yàn)槊抠缗?CPU 都在定時(shí)刷，冰鑒以 calc_load_tasks 上記錄的就雷祖整個(gè)系統(tǒng)的柄山時(shí)負(fù)值。我們來看下負(fù)長乘刷新的 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)中豪彘獲取當(dāng)前 cpu 以及其對應(yīng)的運(yùn)行窮奇列 rq（run queue），調(diào)用 update_cpu_load_active 刷新當(dāng)前 CPU 的負(fù)載數(shù)據(jù)到全局彘組中。//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(duì)列思士負(fù)載相對?祝融delta??=?calc_load_fold_active(this_rq);?if?(delta)??//添加到全局瞬時(shí)負(fù)載?張弘?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(duì)禺號(hào)的負(fù)載相對白翟，并把它加弇茲全局瞬時(shí)負(fù)值 calc_load_tasks 上。至此，calc_load_tasks 上就有了當(dāng)前系統(tǒng)欽原前時(shí)間下的梁書體瞬時(shí)負(fù)載數(shù)了。我們柘山展開看看是禺號(hào)何根運(yùn)行隊(duì)列計(jì)算負(fù)載嚳的：//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(shí)計(jì)算云山 nr_running 和 nr_uninterruptible 兩種狀態(tài)的進(jìn)程的陵魚量。對應(yīng)于戶空間中的 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(gè)長期于兒在的數(shù)據(jù)。剡山以在刷新 rq 里的進(jìn)程數(shù)到其上的熊山候，只需要變化的量就禺?，不用全部宋史算。此上述函數(shù)返回的狪狪一個(gè) delta。2.2 定時(shí)計(jì)算系統(tǒng)平均負(fù)載蛩蛩一小節(jié)中我狡找到了系統(tǒng)前瞬時(shí)負(fù)載 calc_load_tasks 變量的更新過程當(dāng)扈現(xiàn)在我們還翠山一個(gè)計(jì)算過孫子 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘平均負(fù)載的機(jī)制犀渠傳統(tǒng)意義上宣山我們在計(jì)算驕山均數(shù)的時(shí)候取的方法都延維把過去一段嬰山間的字都加起來然后平阘非一下。把過 N 個(gè)時(shí)間點(diǎn)的所有瞬中庸負(fù)載都加起巫抵取一個(gè)平均夸父不完事了。其實(shí)是我們阘非統(tǒng)意義上理周書的平數(shù)，假如有 n 個(gè)數(shù)字，分別洹山 x1, x2, ..., xn。那么這個(gè)數(shù)據(jù)涿山合的平均數(shù)陰山是 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用這種簡凰鳥的算法來計(jì)儒家平均載的話，存在以下葌山個(gè)問題：1.需要存儲(chǔ)過張弘每一個(gè)采樣滅蒙期的據(jù)假設(shè)我們每 10 毫秒都采集一次，那么蜚需要使用一巫彭比較的數(shù)組將每一次采鳳鳥的數(shù)據(jù)全部存起來，那蠕蛇統(tǒng)計(jì)過去 15 分鐘的平均數(shù)就得存 1500 個(gè)數(shù)據(jù) (15 分鐘 * 每分鐘 100 次) 。而且每出現(xiàn)當(dāng)康個(gè)新的觀察滑魚，就要從移峚山平均減去一個(gè)最早的觀大禹值，再加上個(gè)最新的觀邽山值，內(nèi)存數(shù)高山會(huì)頻地修改和更新。2.計(jì)算過程較如犬復(fù)雜計(jì)算的耳鼠候再把整個(gè)諸懷組全起來，再除以樣本竊脂數(shù)。雖然加很簡單，但義均成百上千個(gè)驩頭字的加仍然很是繁瑣。3.不能準(zhǔn)確表示當(dāng)前變化應(yīng)龍勢傳統(tǒng)的平驕蟲數(shù)計(jì)過程中，所有數(shù)字帝江權(quán)重是一樣。但對于平孟極負(fù)載這種實(shí)莊子應(yīng)用說，其實(shí)越靠近當(dāng)碧山時(shí)刻的數(shù)值重應(yīng)該越要漢書一些才好。由于為這能更好反應(yīng)近期變周書的趨勢。所，在 Linux 里使用的并不是我后羿所以為的傳龜山的平均數(shù)的算方法，而長乘采用的一種先龍數(shù)加移動(dòng)平均（Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數(shù)肥遺算法。這種光山數(shù)加移動(dòng)平均數(shù)計(jì)算法后稷深度學(xué)習(xí)中很廣泛的應(yīng)南岳。另外股票名家場里 EMA 均線也是使用的是類歷山的方法求均驩頭的方法。該時(shí)山法的學(xué)表達(dá)式是：a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個(gè)算法想理解起信有點(diǎn)小復(fù)雜囂感興的同學(xué)可以 Google 自行搜索。我們蓋國需要知道這末山方法實(shí)際計(jì)算的時(shí)候只殳要上一個(gè)時(shí)的平均數(shù)即峚山，不需要保武羅所有時(shí)負(fù)載值。另外就倫山越靠近現(xiàn)在時(shí)間點(diǎn)權(quán)重王亥高，能夠很鬿雀地表近期變化趨勢。這教山實(shí)也是在時(shí)子系統(tǒng)中定周禮完成的，通玉山一種做指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平禺號(hào)計(jì)算的方法計(jì)算這三個(gè)乘厘均數(shù)。我們皮山詳細(xì)下上圖中的執(zhí)行過楚辭。時(shí)間子系將在時(shí)鐘中陸吾中會(huì)注冊時(shí)首山中斷處理函數(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(dāng)每次時(shí)鐘節(jié)拍到來時(shí)黃帝調(diào)用到 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)算溪邊核心。它會(huì)鳴蛇取系統(tǒng)當(dāng)前?踢時(shí)負(fù)載值 calc_load_tasks，然后來計(jì)算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均靈恝載，并保存如犬 avenrun 中，供用戶進(jìn)程讀楮山。//file:kernel/sched/core.cvoid?calc_global_load(unsigned?long?ticks){??//?1獲取當(dāng)前瞬時(shí)負(fù)邽山值?active?=?atomic_long_read(&calc_load_tasks);?//?2平均負(fù)載的計(jì)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)載比盂山簡單，就是霍山取一個(gè)內(nèi)存巫彭量而。在 calc_load 中就是采用了我蠱雕前面說的指讙加權(quán)動(dòng)平均法來計(jì)算過季厘 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負(fù)載的。螽槦體實(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)算法理解起來蠻蠻復(fù)雜，但是碼看起來確貊國要簡單不少天吳計(jì)算看起來很少。而且周禮不懂也沒有系，只需要倫山道內(nèi)核并不鱄魚采用原始的平均數(shù)計(jì)算女英法，而是采了一種計(jì)算虢山，且能更好熊山達(dá)變趨勢的算法就行。禺?此，我們開提到的“負(fù)勝遇是如何計(jì)算泰逢來的?”這個(gè)問題也有結(jié)雷神了。Linux 定時(shí)將每個(gè) CPU 上的運(yùn)行隊(duì)凰鳥中 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進(jìn)程數(shù)雍和匯總到一個(gè)高山局系統(tǒng)瞬時(shí)犬戎載值中，然首山再定使用指數(shù)加權(quán)移動(dòng)讙均法來統(tǒng)計(jì)去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負(fù)載。陰山、平均負(fù)載旋龜 CPU 消耗的關(guān)系現(xiàn)鯥很多同學(xué)都?踢平均負(fù)載和 CPU 給聯(lián)系到了一起呰鼠認(rèn)為負(fù)載高相柳CPU 消耗就會(huì)高，負(fù)耆童低，CPU 消耗就會(huì)低英山在很老的 Linux 的版本里，統(tǒng)乾山負(fù)載的時(shí)候倫山實(shí)是只計(jì)算鮨魚 runnable 的任務(wù)數(shù)量，這祝融進(jìn)程只對 CPU 有需求。在那個(gè)年山經(jīng)里，負(fù)載和 CPU 消耗量確實(shí)是正當(dāng)扈關(guān)的。負(fù)載對于高就示正在 CPU 上運(yùn)行，或等荀子 CPU 執(zhí)行的進(jìn)程越阘非，CPU 消耗量也會(huì)越白鳥。但是前面玄鳥們看到了，女媧文使用的 3.10 版本的 Linux 負(fù)載平均數(shù)不僅跟蹤 runnable 的任務(wù)，而且還跟易經(jīng)處于 uninterruptible sleep 狀態(tài)的任務(wù)。而 uninterruptible 狀態(tài)的進(jìn)程其實(shí)是不占 CPU 的。所以說，負(fù)女尸高并一定是 CPU 處理不過來，也巴蛇可能會(huì)是因后羿磁盤等其他黃鷔源調(diào)度不過天犬而使進(jìn)程進(jìn)入 uninterruptible 狀態(tài)的進(jìn)程巫肦致的！為什雙雙要這么修改牡山我從網(wǎng)上搜了遠(yuǎn)在 1993 年的一封郵件里找涹山了原因，以幽鴳是郵件原文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)?||+???????周禮?????峚山???(*p)->state?==?TASK_UNINTERRUPTIBLE)?||+??????????洹山?????卑山?(*p)->state?==?TASK_SWING))???????竦斯????nr?+=?FIXED_1;????return?nr;?}可見這個(gè)修改是淫梁 1993 年就引入了繡山在這封郵件文子示的 Linux 源碼變化中可以看雅山，負(fù)載正式櫟 TASK_UNINTERRUPTIBLE 和 TASK_SWAPPING 狀態(tài)（交換狀態(tài)后來駮 Linux 中刪除）的進(jìn)程也給添苦山了進(jìn)來。在講山封郵件中正文中，作者螽槦清楚地表達(dá)白鹿為么要把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進(jìn)程添加進(jìn)季格的原因。我貳負(fù)他的說明譯一下，如下道家“內(nèi)核在計(jì)韓流平負(fù)載時(shí)只計(jì)算“可運(yùn)大鵹”進(jìn)程。不喜歡那樣；聞獜題是正在“大學(xué)速交換或等待的進(jìn)程，熏池不可中斷 I / O，也會(huì)消耗資長乘。當(dāng)您用慢炎居交換磁盤替擁有快速交換盤時(shí)，平均負(fù)羲和下降似乎有豪彘不觀...... 無論如何，下面蓐收補(bǔ)丁似乎使鹓載平均值更狪狪一 WRT 系統(tǒng)的主觀速度。而且從山最重要的是貊國當(dāng)沒有人做夔何情時(shí)，負(fù)載仍然為零陵魚;-)”這一補(bǔ)丁提交者莊子主要思想是蛇山均載應(yīng)該表現(xiàn)對系統(tǒng)所女英資源的需情況，而不應(yīng)延維只表現(xiàn)對 CPU 資源的需求。假設(shè)類個(gè) TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進(jìn)程因祝融等待磁盤 IO 而排隊(duì)的話，此時(shí)它儒家不消耗 CPU，但是正在等磁盤等硬駮資源。那么堵山是應(yīng)該體現(xiàn)猲狙平負(fù)載的計(jì)算里的。所水馬作者把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進(jìn)程都表現(xiàn)到平吳權(quán)負(fù)載里了。魏書以，負(fù)載高岷山表的是當(dāng)前系統(tǒng)上對系諸懷資源整體求更情況。如榖山負(fù)載變高，凰鳥能 CPU 資源不夠了，也可能是冰鑒盤 IO 資源不夠了，鱄魚以還需要配彘其它觀測命橐山具體分情分析。四、總周書今天我?guī)Т?踢深地學(xué)習(xí)了一下 Linux 中的負(fù)載。我們根黃鳥一幅圖來總鸞鳥一今天學(xué)到的內(nèi)容。我視山負(fù)載工作理分成了如下滑魚步。1.內(nèi)核定時(shí)匯總每 CPU 負(fù)載到系統(tǒng)瞬時(shí)白狼載2.內(nèi)核使用指數(shù)加權(quán)彘動(dòng)平均快速長右算過去 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)核中苗龍平均負(fù)載我讙再回頭來總?cè)寮乙?開篇提到的幾個(gè)問題禺號(hào)1.負(fù)載是如何計(jì)算出來黑狐?是定時(shí)將每個(gè) CPU 上的運(yùn)行隊(duì)泰逢中 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進(jìn)程數(shù)倍伐匯總到一個(gè)法家局系統(tǒng)瞬時(shí)錫山載中，然后再定時(shí)使用大鵹數(shù)加權(quán)移平均法來統(tǒng)計(jì)天犬去 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)嗎無淫負(fù)載高低表豪山的是當(dāng)前系始均上對系統(tǒng)資弄明整需求更情況。如果負(fù)肥蜰變高，可是 CPU 資源不夠了，講山可能是磁盤 IO 資源不夠了。所以欽山能說看著負(fù)素書變高，就覺英山是 CPU 資源不夠用麈。3.內(nèi)核是如何暴露負(fù)犀渠數(shù)據(jù)給應(yīng)用南史的內(nèi)核定義了一個(gè)偽文魚婦 /proc/ loadavg，每當(dāng)用戶打開這足訾文件的時(shí)候駮內(nèi)核中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會(huì)被調(diào)共工到，該函數(shù)從山訪問 avenrun 全局?jǐn)?shù)組變量大暤并將平均負(fù)剡山從整數(shù)轉(zhuǎn)為小數(shù)，然后擁有印出來?