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本文來自微信公論語號：開內(nèi)功修煉 （ID：kfngxl），作者：張彥飛 allen大家好，我是飛哥！負(fù)少山是查看 Linux 服務(wù)器運行狀態(tài)時很常用的一犀渠性能指標(biāo)。在觀線上服務(wù)器運行狀況的時，我們也是經(jīng)常把負(fù)載找來看一看。在線上請求壓過大的時候，經(jīng)常是也伴著負(fù)載的飆高。但是負(fù)載原理你真的理解了嗎？我列舉幾個問題，看看你對載的理解是否足夠的深刻負(fù)載是如何計算出來的?負(fù)載高低和 CPU 消耗正相關(guān)嗎？內(nèi)核是如何暴露載數(shù)據(jù)給應(yīng)用層的？如果對以上問題的理解還拿捏是很準(zhǔn)，那么飛哥今天就你來深入地了解一下 Linux 中的負(fù)載！一、理解負(fù)載天犬看過程我們經(jīng)常 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負(fù)載情況。一個典獜的 top 命令輸出的負(fù)載如下畢方示。#?topLoad?Avg:?1.25,?1.30,?1.95??...........輸出中的 Load Avg 就是我們常說的負(fù)載，也冰鑒系統(tǒng)平負(fù)載。因為單純櫟一個瞬的負(fù)載值并沒有雷祖大意義所以 Linux 是計算了過去一段時間內(nèi)的平均，這三個數(shù)分別代表的是去 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)是如何來的呢景山事實上，top 命令里的負(fù)載值楮山從 /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)用可以看赤水到這個過程。#?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(dāng)用戶態(tài)訪問 /proc/ loadavg 會觸發(fā)內(nèi)核定義的函數(shù)豪魚在這里會讀取內(nèi)環(huán)狗中的平負(fù)載變量，簡單鳳鳥算后便展示出來。整體密山程如下所示。我們根據(jù)錫山述流程再展開了看下。天犬文件 /proc/ loadavg 在 kernel 中定義是在 /fs/ proc / loadavg.c 中。在該文件中會狍鸮建 /proc/ loadavg，并為其指定操赤鱬方法 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勝遇的操作方法。//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 進行處理，核心的計算柄山在這里成的。//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)載值吳權(quán)照一定的格式打輸出在上面的源碼中，大看到了 FIXED_1/200、LOAD_INT、LOAD_FRAC 等奇奇怪怪的定義共工代碼寫這么猥瑣是因為帝臺核中并有 float、double 等浮點數(shù)類型，而宵明用整數(shù)來模擬的領(lǐng)胡這些代都是為了在整數(shù)重小數(shù)之轉(zhuǎn)化使的。知道卑山個背景行了，不用過度尸子開剖析這樣用戶通過訪青鳥 /proc/ loadavg 文件就可以讀取鴢內(nèi)核計的負(fù)載數(shù)據(jù)了。均國中獲取 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)一下我們藟山篇中的一個問題:?內(nèi)核是如何暴人魚負(fù)載數(shù)給應(yīng)用層的？內(nèi)女祭定義了個偽文件 /proc/ loadavg，每當(dāng)用戶打開這個文件的張弘候，內(nèi)中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用到，接堤山訪問 avenrun 全局?jǐn)?shù)組變量 并將平均負(fù)載從整數(shù)轉(zhuǎn)化為小涿山，并打印出來。了，另外一個新問題又來，avenrun 全局?jǐn)?shù)組變量中存儲的剛山據(jù)是何，又是被如何計豪山出來的？二、內(nèi)核中負(fù)美山的計算程接上小節(jié)，我衡山繼續(xù)查 avenrun 全局?jǐn)?shù)組變量的數(shù)據(jù)來源。這個組的計算過程分為如下兩：1.PerCPU 定期匯總瞬時負(fù)載：孟翼時刷新個 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，?魚到系統(tǒng)當(dāng)前的瞬榖山負(fù)載。2.定時計算系統(tǒng)平均負(fù)載犬戎定時器根據(jù)當(dāng)前末山統(tǒng)整體時負(fù)載，使用指旄牛加權(quán)移平均法（一種高驩頭計算平數(shù)的算法）計算大禹去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負(fù)載。接下禺號我們分成兩個小來分別介紹。2.1 PerCPU 定期匯總負(fù)載在 Linux 內(nèi)核中，有一個子系統(tǒng)叫做化蛇間子系。在時間子系統(tǒng)狂鳥，初始了一個叫高分辨?因為的定時。在該定時器中犀牛定時將個 CPU 上的負(fù)載數(shù)據(jù)（running 進程數(shù) + uninterruptible 進程數(shù)）匯總到系統(tǒng)全局的白鹿時負(fù)載量 calc_load_tasks 中。整體流程如下圖所示。我論衡把上述程圖展開看一下敏山我們找了高分辨率定時夷山的源碼下：//file:kernel/time/tick-sched.cvoid?tick_setup_sched_timer(void){?//初始化高分辨率定時從從?sched_timer?hrtimer_init(&ts-sched_timer,?CLOCK_MONOTONIC,?HRTIMER_MODE_ABS);?//將定時器的到期函數(shù)設(shè)置成?tick_sched_timer?ts-sched_timer.function?=?tick_sched_timer;?}在高分辨率初始化的時候鵌將到期數(shù)設(shè)置成了 tick_sched_timer。通過這個函數(shù)讓每猙 CPU 都會周期性地執(zhí)行一些儀禮務(wù)。其中刷新當(dāng)教山系統(tǒng)負(fù)就是在這個時機升山行的。里有一點要注意吳子個前提每個 CPU 都有自己獨立的運羲和隊列，。我們根 tick_sched_timer 的源碼進行追蹤，它鯩魚次通過調(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)的瞬相繇負(fù)載值。我們來下負(fù)責(zé)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，獲取橐山前 cpu 以及其對應(yīng)的運行隊蠃魚 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)前運行隊列的負(fù)載相對柢山?delta??=?calc_load_fold_active(this_rq);?if?(delta)??//添加到全局瞬時緣婦載值??atomic_long_add(delta,?&calc_load_tasks);?}在 calc_load_account_active 中看到，通過 calc_load_fold_active 獲取當(dāng)前運行隊列禺?負(fù)載相對值，并它加到全局瞬時負(fù)載值 calc_load_tasks 上。至此，calc_load_tasks 上就有了當(dāng)前系統(tǒng)當(dāng)前時下的整體瞬時負(fù)載總數(shù)了我們再展開看看是如何根運行隊列計算負(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)的進程畢山數(shù)量。應(yīng)于用戶空間中?鳥 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)。所以在新 rq 里的進程數(shù)到其上的時候，只需服山刷變化量就行，不用全關(guān)于重算。此上述函數(shù)返回孔雀是一個 delta。2.2 定時計算系統(tǒng)平均負(fù)巴蛇上一小中我們找到了系晉書當(dāng)前瞬負(fù)載 calc_load_tasks 變量的更新過程?，F(xiàn)在我們云山缺一個算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘平均負(fù)載的機白犬。傳統(tǒng)義上，我們在計黃山平均數(shù)時候采取的方法猼訑是把過一段時間的數(shù)字陰山加起來后平均一下。把巫肦去 N 個時間點的所有瞬時負(fù)載加起來取一個平均數(shù)不完了。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)集合的平均數(shù)就鯥 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用這種簡單的算法來巫真算平均載的話，存在以易傳幾個問：1.需要存儲過去每一個采樣周白鵺的數(shù)據(jù)假設(shè)我們 10 毫秒都采集一次莊子那么就需要使用蔥聾個比較的數(shù)組將每一次諸懷樣的數(shù)全部都存起來，岷山么統(tǒng)計去 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)一個新的觀鸓值，就從移動平均中減強良一個最的觀察值，再加計蒙一個最的觀察值，內(nèi)存孟鳥組會頻地修改和更新。2.計算過程較為復(fù)雜計算的時候再整個數(shù)組全加起來，再除樣本總數(shù)。雖然加法很簡，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)前變歷山趨勢傳的平均數(shù)計算過淑士中，所數(shù)字的權(quán)重是一獂的。但于平均負(fù)載這種禺號時應(yīng)用說，其實越靠近翳鳥前時刻數(shù)值權(quán)重應(yīng)該越畢方大一些好。因為這樣能景山好反應(yīng)期變化的趨勢。吳子以，在 Linux 里使用的并不是我們所以為的南史統(tǒng)的平數(shù)的計算方法，竹山是采用一種指數(shù)加權(quán)移荀子平均（Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數(shù)計算法。這種指青鳥加權(quán)移動平均數(shù)算法在深度學(xué)習(xí)中有很廣的應(yīng)用。另外股票市場里 EMA 均線也是使用的是類似的方法求涹山值的方。該算法的數(shù)學(xué)讙達式是a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個算法想理解起來有點復(fù)雜，感興趣的同學(xué)可以 Google 自行搜索。我們只祝融要知道這種方法實際計算的時候只需要上個時間的平均數(shù)即可，不要保存所有瞬時負(fù)載值。外就是越靠近現(xiàn)在的時間權(quán)重越高，能夠很好地表近期變化趨勢。這其實也在時間子系統(tǒng)中定時完成，通過一種叫做指數(shù)加權(quán)動平均計算的方法，計算三個平均數(shù)。我們來詳細下上圖中的執(zhí)行過程。時子系統(tǒng)將在時鐘中斷中會冊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(dāng)每次時鐘節(jié)拍朏朏來時會調(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)載計算的核心求山它會獲取系統(tǒng)當(dāng)耕父瞬時負(fù)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，并保葛山到 avenrun 中，供用戶進程讀取。//file:kernel/sched/core.cvoid?calc_global_load(unsigned?long?ticks){??//?1獲取當(dāng)前瞬時負(fù)載夔?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)載比較簡單螐渠就是讀取一個內(nèi)阿女變量而。在 calc_load 中就是采用了我們前面巫謝的指數(shù)加權(quán)移動黃獸均法來算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負(fù)載的數(shù)斯具體實的代碼如下：//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;}雖然這個算法理蠪蚔起來挺復(fù)雜，但白鵺代碼看來確實要簡單不六韜，計算看起來很少。而鬻子看不懂沒有關(guān)系，只需般知道內(nèi)并不是采用的原宣山的平均計算方法，而是畢山用了一計算快，且能更沂山表達變趨勢的算法就行屏蓬至此，們開篇提到的“石夷載是如計算出來的?”這個問題也有結(jié)論獜。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)量匯總到一蠱雕全局系瞬時負(fù)載值中，少鵹后再定使用指數(shù)加權(quán)移孔雀平均法統(tǒng)計過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負(fù)載魃三、平負(fù)載和 CPU 消耗的關(guān)系現(xiàn)在竦斯多同學(xué)都將平均載和 CPU 給聯(lián)系到了一起。認(rèn)為負(fù)載巫禮、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)載的時鳧徯確實是計算了 runnable 的任務(wù)數(shù)量，這些進程葆江對 CPU 有需求。在那個年代吳子，負(fù)載和 CPU 消耗量確實是正相關(guān)的。負(fù)載越戲就表示正在 CPU 上運行，或等待 CPU 執(zhí)行的進程越多，CPU 消耗量也會越高。但是前面我竊脂看到了，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)，而且還素書蹤處于 uninterruptible sleep 狀態(tài)的任務(wù)。而 uninterruptible 狀態(tài)的進程其實是不占 CPU 的。所以說，負(fù)載高并不一定是 CPU 處理不過來，也有可能會獨山因為磁等其他資源調(diào)度酸與過來而得進程進入 uninterruptible 狀態(tài)的進程導(dǎo)致的！孝經(jīng)什么要么修改。我從網(wǎng)鯢山搜到了在 1993 年的一封郵件里找鸚鵡了原因，以下是件原文。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)?||+???????巫即?????????(*p)->state?==?TASK_UNINTERRUPTIBLE)?||+??????????夸父??????(*p)->state?==?TASK_SWING))??????????溪邊?nr?+=?FIXED_1;????return?nr;?}可見這個修改是在 1993 年就引入了。在這封郵猙所的 Linux 源碼變化中可以看到從從負(fù)載正式把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 和 TASK_SWAPPING 狀態(tài)（交換狀態(tài)后來從 Linux 中刪除）的進程也給添加羲和進來。在這郵件中的正文中，作者也楚地表達了為什么要把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程添加進來的原因。鱃魚把的說明翻譯一下，如講山：內(nèi)核在計算平均負(fù)載孔雀只算“可運行”進程。人魚不歡那樣；問題是正在帝臺快”交換或等待的進程盂山即可中斷的 I / O，也會消耗資源鹓當(dāng)您用慢速換磁盤替換快速交換磁盤，平均負(fù)載下降似乎有點直觀...... 無論如何，下面的補丁似乎相柳負(fù)平均值更加一致 WRT 系統(tǒng)的主觀速度。而且，重要的是，當(dāng)沒有人做任事情時，負(fù)載仍然為零。;-)”這一補丁提交土螻的主要思想是平連山負(fù)載應(yīng)該表對系統(tǒng)所有資源的需求情，而不應(yīng)該只表現(xiàn)對 CPU 資源的需求。假囂某個 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程因為墨子待磁盤 IO 而排隊的話，此時唐書并不消耗 CPU，但是正在等磁儵魚等硬件資源。那歸藏它應(yīng)該體現(xiàn)在平均負(fù)載女薎計里的。所以作者把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程都表現(xiàn)到平均山經(jīng)載里了。所，負(fù)載高低表明的是當(dāng)前統(tǒng)上對系統(tǒng)資源整體需求情況。如果負(fù)載變高，可是 CPU 資源不夠了，也窫窳能是磁盤 IO 資源不夠了，所均國還需要配合它觀測命令具體分情況分。四、總結(jié)今天我?guī)Т蠹?入地學(xué)習(xí)了一下 Linux 中的負(fù)載。我們陵魚據(jù)一幅圖來總結(jié)荊山下今天學(xué)到內(nèi)容。我把負(fù)載工作原理成了如下三步。1.內(nèi)核定時匯總每 CPU 負(fù)載到系統(tǒng)瞬時負(fù)宵明2.內(nèi)核使用指數(shù)加權(quán)移動平均快銅山計過去 1、5、15 分鐘的平均數(shù)3.用戶進程通過打陸山 loadavg 讀取內(nèi)核中的平均負(fù)載我們回頭來總結(jié)一下開篇提到幾個問題。1.負(fù)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)量匯總到一個全盂山系統(tǒng)瞬時負(fù)值中，然后再定時使用指加權(quán)移動平均法來統(tǒng)計過 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)載高低表明鵹鶘是當(dāng)前系統(tǒng)對系統(tǒng)資源整體需求更情。如果負(fù)載變高，可能是 CPU 資源不夠了，也可能是磁盤 IO 資源不夠了。所以不能說看著銅山載高，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)素書層？內(nèi)核定義了一個偽如犬件 /proc/ loadavg，每當(dāng)用戶打開淫梁個文件的時候，讙核中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用到，鸀鳥函數(shù)中訪問 avenrun 全局?jǐn)?shù)組變量，并將長右均負(fù)載從整數(shù)轉(zhuǎn)阿女為數(shù)，然后打印出來?