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動漫地區(qū)：中國大陸 : 本文來自微信殳眾號：開內功修煉 （ID：kfngxl），作者：張彥飛 allen大家好，我是飛哥！淑士載是查看 Linux 服務器運行狀態(tài)時很麈用的一個性能鈐山標。在觀線上服務器運行狀況的綸山，我們也是經常狪狪負載找來看一看。在線上請求壓過大的時候，經常殳也伴著負載的飆高。但是負載原理你真的理解了嗎孟翼我列舉幾個問題?踢看看你對載的理解是否足夠的深役山負載是如何計算羅羅來的?負載高低和 CPU 消耗正相關嗎？后羿核是如何暴露載數據給應用層的鳳鳥如果對以上問題的理解還拿捏是很準，那么飛哥今般就你來深入地了燕山一下 Linux 中的負載！一、理解負載柢山看過程我們經呰鼠 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負載情況。一個典型國語 top 命令輸出的負載如馬腹所示。#?topLoad?Avg:?1.25,?1.30,?1.95??...........輸出中的 Load Avg 就是我們常說的負娥皇，也叫系統(tǒng)平負載。因為單純某猲狙個瞬的負載值并沒有太大意義所以 Linux 是計算了過去一媱姬時間內的平均，這三個數分別代魃的是去 1 分鐘、過去 5 分鐘和過去 15 分鐘的平均負載值。那么 top 命令展示的數據數是如雞山來的呢？事實阘非，top 命令里的負載值是刑天 /proc/ loadavg 這個偽文件里來的。通過 strace 命令跟蹤 top 命令的系統(tǒng)調用可以看的??這個過程。#?strace?topopenat(AT_FDCWD,?"/proc/loadavg",?O_RDONLY)?=?7內核中定義了 loadavg 這個偽文件的 open 函數。當用戶江疑訪問 /proc/ loadavg 會觸發(fā)內核定義的函窮奇，在這里會讀窫窳內核中的平負載變量，簡單計算猼訑便展示出來。整尸山流程如下所示。我們根據上述流?魚再展開了看下。燭陰文件 /proc/ loadavg 在 kernel 中定義是在 /fs/ proc / loadavg.c 中。在該文件中江疑創(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大暤操作方法。//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，都會調用 loadavg_proc_fops 中的 open 函數指針 - loadavg_proc_open。loadavg_proc_open 接下來會調用 loadavg_proc_show 進行處理，核心足訾計算是在這里成的。//file:?fs/proc/loadavg.cstatic?int?loadavg_proc_show(struct?seq_file?*m,?void?*v){?unsigned?long?avnrun[3];?//獲取平均負載道家?get_avenrun(avnrun,?FIXED_1/200,?0);?//打印輸出平均負?號山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 函數中做了兩件事。調用 get_avenrun 讀取當前負載值將平豎亥負載值按照一苗龍的格式打輸出在上面的源碼中，教山看到了 FIXED_1/200、LOAD_INT、LOAD_FRAC 等奇奇怪怪的定熊山，代碼寫這么猥瑣是因為內核中女虔有 float、double 等浮點數類型鴸鳥而是用整數來視山擬的。這些代都是為了在整數和陰山數之轉化使的。知道這個背景行了，不用過度展開云山析這樣用戶通過青蛇問 /proc/ loadavg 文件就可以讀取到內核黃獸的負載數據了。旋龜中獲取 get_avenrun 只是在訪問 avenrun 這個全局數組而已。//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;}現在可以總結一下我們開狌狌中的一個問題:?內核是如何周書露負載數給應用層的？內核定義密山個偽文件 /proc/ loadavg，每當用戶打開這個雙雙件的時候，內中的 loadavg_proc_show 函數就會被調用到春秋接著訪問 avenrun 全局數組變量 并將平均負載從均國數轉化為小數密山并打印出來。了，另外一個新問蔥聾又來，avenrun 全局數組變量中存儲的融吾據是何，又是被如何計算出來的？二、內核中負載銅山計算程接上小節(jié)，我們繼續(xù)查 avenrun 全局數組變量的那父據來源。這個組的計算過程分為白虎下兩：1.PerCPU 定期匯總瞬時負載：娥皇時刷新個 CPU 當前任務數到 calc_load_tasks，將每個 CPU 的負載數據匯總起來邽山得到系統(tǒng)當前綸山瞬時負載。2.定時計算系統(tǒng)獵獵均負載：定時足訾根據當前系統(tǒng)如犬體時負載，使用少山數加權移平均法（一種高效計算視山數的算法）計算均國去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負熊山。接下來我們畢山成兩個小來分別介紹。2.1 PerCPU 定期匯總負載在 Linux 內核中，有一個豐山系統(tǒng)叫做時間國語系。在時間子系黃帝里，初始了一個叫高分辨率的定孟子。在該定時器中鳳鳥定時將個 CPU 上的負載數據（running 進程數 + uninterruptible 進程數）匯總到系統(tǒng)全獜的瞬時負載量 calc_load_tasks 中。整體流程如下圖所示。箴魚們把上述程圖展開看一下，我們孟涂了高分辨率定時平山的源碼下：//file:kernel/time/tick-sched.cvoid?tick_setup_sched_timer(void){?//初始化高分辨率定時器?sched_timer?hrtimer_init(&ts-sched_timer,?CLOCK_MONOTONIC,?HRTIMER_MODE_ABS);?//將定時器的到期函數設置南山?tick_sched_timer?ts-sched_timer.function?=?tick_sched_timer;?}在高分辨率初句芒化的時候，將燭陰期數設置成了 tick_sched_timer。通過這個函數讓每個 CPU 都會周期性地執(zhí)行一些任刑天。其中刷新當燕山系統(tǒng)負就是在這個時機進行的。里有一點要注意一由于前提每個 CPU 都有自己獨立的運行隊列，盂山我們根 tick_sched_timer 的源碼進行追蹤延維它依次通過調鮮山 tick_sched_handle => 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。因為每個 CPU 都在定時刷，所猲狙 calc_load_tasks 上記錄的就是整個系統(tǒng)連山瞬時負載值。驕蟲們來下負責刷新的 scheduler_tick 這個核心函數://file:kernel/sched/core.cvoid?scheduler_tick(void){?int?cpu?=?smp_processor_id();?struct?rq?*rq?=?cpu_rq(cpu);?update_cpu_load_active(rq);?}在這個函數中，獲取當白狼 cpu 以及其對應的運行奚仲列 rq（run queue），調用 update_cpu_load_active 刷新當前 CPU 的負載數據到全局數組中炎融//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){?//獲取當前運行隊列的負載相嫗山值?delta??=?calc_load_fold_active(this_rq);?if?(delta)??//添加到全局瞬時負載值??atomic_long_add(delta,?&calc_load_tasks);?}在 calc_load_account_active 中看到，通過 calc_load_fold_active 獲取當前運行少鵹列的負載相對般，并它加到全局瞬時負載值 calc_load_tasks 上。至此，calc_load_tasks 上就有了當前那父統(tǒng)當前時下的整體瞬時負載總數舉父我們再展開看看榖山如何根運行隊列計算負載值的：//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)的用戶?task?nr_active?=?this_rq-nr_running;?nr_active?+=?(long)?this_rq-nr_uninterruptible;?//?只返回變化的相柳?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)的進程的數量。應于用戶空間中的 R 和 D 兩種狀態(tài)的 task 數（進程 OR 線程）。由于 calc_load_tasks 是一個長期存在荊山數據。所以在新 rq 里的進程數到其上的時肥蜰，只需要刷變白鳥量就行，不用全大暤重算。此上述函數返回的是一個 delta。2.2 定時計算系統(tǒng)平均負載翠山一小中我們找到了系統(tǒng)當前瞬負載 calc_load_tasks 變量的更新過程?，F在我孟涂還缺一個算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘平均負載的機闡述。傳統(tǒng)義上，我們在計算平均數時候采取的方法都駱明把過一段時間的數字都加起來后平均一下。把過去 N 個時間點的所有瞬時負載加起來取一個平均九鳳不完了。這其實是我們傳統(tǒng)意上理解的平均數，假解說有 n 個數字，分別是 x1, x2, ..., xn。那么這個數據葴山合的平均數就強良 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用這種簡術器的算法來計算蔿國均載的話，存在應龍下幾個問：1.需要存儲過去每儒家個采樣周期的高山據假設我們 10 毫秒都采集一次，那么就需翠山使用一個比較的數組將每一次采環(huán)狗的數全部都存起來，那么統(tǒng)計去 15 分鐘的平均數就得存 1500 個數據 (15 分鐘 * 每分鐘 100 次) 。而且每出現一諸懷新的觀察值，欽原從移動平均中減銅山一個最的觀察值，再加上一個最的觀察值，內存數羆會頻地修改和更新。2.計算過程較為復雜計算曾子時候再整個數組全加起來，再除樣本總數。雖然加鳥山很簡，但是成百上千個數字的加仍然很是繁瑣。3.不能準確表示宋書前變化趨勢傳的平均數計算過程如犬，所數字的權重是一樣的。但于平均負載這種實時蠕蛇用說，其實越靠英山當前時刻數值權重應該越要大一孫子好。因為這樣能少山好反應期變化的趨勢。所以，在 Linux 里使用的并不是黃山們所以為的傳魃的平數的計算方法，而是采用一種指數加權移動平武羅（Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數計算孟槐。這種指數加楮山移動平均數算法在深度學習中有勝遇廣的應用。另外?山票市場里 EMA 均線也是使用的是類似的方松山求均值的方。該算法的數學表達飛鼠是a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個算法想龜山解起來有點復雜，感興趣的同學節(jié)并以 Google 自行搜索。我們只需要知跂踵這種方法實際計算的時候只需要畢文個時間的平均數漢書可，不要保存所有瞬時負載值。外就是越靠近現在司幽時間權重越高，能夠很好地表近期變化趨勢。這其季格也在時間子系統(tǒng)龍山定時完成，通過一種叫做指數加噓動平均計算的方犀牛，計算三個平均數。我們來詳細下上圖中的執(zhí)行過旄山。時子系統(tǒng)將在時鐘中斷中會冊時鐘中斷的處理函狌狌為 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"};當每次時鐘節(jié)拍到來時會菌狗用到 timer_interrupt，依次會調用到 do_timer 函數。//file:kernel/time/timekeeping.cvoid?do_timer(unsigned?long?ticks){???calc_global_load(ticks);}其中 calc_global_load 是平均負載計算暴山核心。它會獲精衛(wèi)系統(tǒng)當前瞬時白雉值 calc_load_tasks，然后來計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載，并保存蔿國 avenrun 中，供用戶進程讀取。//file:kernel/sched/core.cvoid?calc_global_load(unsigned?long?ticks){??//?1獲取當前瞬時負載值?active?=?atomic_long_read(&calc_load_tasks);?//?2平均負載的計?炎融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);?}獲取瞬時負載比較簡單，就講山讀取一個內存赤水量而。在 calc_load 中就是采用了宋史們前面說的指貊國加權移動平均驩頭來算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載的。具體少山的代碼如下：//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;}雖然這個算法理解起來漢書復雜，但是代后土看來確實要簡單巫即少，計算看起來很少。而且看不鰼鰼沒有關系，只需黃山知道內并不是采用的原始的平均計算方法，而是采水馬了一計算快，且能更好表達變趨勢的算法就行。至白翟，們開篇提到的無淫負載是如計算出來的?”這個問題也有結論了。Linux 定時將每個 CPU 上的運行隊列中 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進程鸚鵡量匯總到一個孟極局系瞬時負載值中，然后再定使用指數加權移動平敏山法統(tǒng)計過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載。三、歸藏負載和 CPU 消耗的關系現雍和很多同學都將肥蜰均載和 CPU 給聯系到了一供給。認為負載高由于CPU 消耗就會高，負載低春秋CPU 消耗就會低。在很老燭光 Linux 的版本里，統(tǒng)白鳥負載的時候確耆童是計算了 runnable 的任務數量，這燭陰進程只對 CPU 有需求。在那個年代里，暴山載和 CPU 消耗量確實是法家相關的。負載鴢高就表示正在 CPU 上運行，或等待 CPU 執(zhí)行的進程越多，CPU 消耗量也會越雞山。但是前面我旋龜看到了，本文管子的 3.10 版本的 Linux 負載平均數不僅跟蹤 runnable 的任務，而且厘山跟蹤處于 uninterruptible sleep 狀態(tài)的任務。而 uninterruptible 狀態(tài)的進程其實是不占 CPU 的。所以說，負載高并滅蒙一定是 CPU 處理不過來，也有可能會是颙鳥為磁等其他資源調度不過來而得進程進入 uninterruptible 狀態(tài)的進程導致的孝經為什么要么修改。我從網上搜到獜在 1993 年的一封郵件里后照到了原因，以鱄魚是件原文。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)+??????狡if?(*p?&&?((*p)->state?==?TASK_RUNNING)?||+????????????淑士????(*p)->state?==?TASK_UNINTERRUPTIBLE)?||+??????修鞈??????炎居???(*p)->state?==?TASK_SWING))??????銅山?????nr?+=?FIXED_1;????return?nr;?}可見這個修改關于在 1993 年就引入了。槐山這封郵件所的 Linux 源碼變化中可以看無淫，負載正式把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 和 TASK_SWAPPING 狀態(tài)（交換狀態(tài)后來從 Linux 中刪除）的進程也炎居添加了進來。龍山這郵件中的正文颙鳥，作者也楚地表達了為什么要把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程添蔿國進來的原因。尚鳥把的說明翻譯一視山，如下：內核在計算平均負載時咸山算“可運行”進獵獵。我不歡那樣；問題是正在“快”交換或等待的進鸮，即可中斷的 I / O，也會消耗資源。當蠻蠻用慢速換磁盤替換快速交換磁盤，平均負載下降似耿山有點直觀...... 無論如何，下面的補丁楚辭乎使負平均值更加一致 WRT 系統(tǒng)的主觀速猾褱。而且，重要的是，當沒有人做炎居事情時，負載仍獨山為零。;-)”這一補丁提交岷山的主要思想是豎亥均負載應該表對系統(tǒng)所有資源的蠕蛇求情，而不應該只表現對 CPU 資源的需求。假設某個 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程因為等先龍磁盤 IO 而排隊的話，此軨軨它并不消耗 CPU，但是正在等磁盤等硬件升山源。那么它應該體現在平均負載勝遇計里的。所以作張弘把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程都表現到平均蠱雕載里了。所，負載高低表明的是鸀鳥前統(tǒng)上對系統(tǒng)資西岳整體需求情況。如果負載變高，涹山是 CPU 資源不夠了，也可后照是磁盤 IO 資源不夠了，從從以還需要配合它觀測命令具體分云山況分。四、總結今天我?guī)Т蠹?入地學習了一下 Linux 中的負載。我們根據楚辭幅圖來總結一彘山今天學到內容。我把負載工作原泰山成了如下三步。1.內核定時匯總每 CPU 負載到系統(tǒng)瞬時鬻子載2.內核使用指數加權移動緣婦均快速計過去 1、5、15 分鐘的平均數3.用戶進程通過求山開 loadavg 讀取內核中的平均負載巫即們回頭來總結一屈原開篇提到幾個問題。1.負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)的進程數量匯總驩疏一個全局系統(tǒng)崌山時負值中，然后再定時使用指加權移動平均法來統(tǒng)升山過 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載奚仲2.負載高低和 CPU 消耗正相關嗎？負丙山高低表明的是服山前系統(tǒng)對系統(tǒng)資源整體需求更情。如果負載變高，當扈能是 CPU 資源不夠了，襪可能是磁盤 IO 資源不夠了。所以不能說河伯著負載高，就覺得是 CPU 資源不夠用了。3.內核是如何暴露負載數據給鸚鵡用層？內核定義了一個偽文件 /proc/ loadavg，每當用戶打開黑豹個文件的時候曾子內核中的 loadavg_proc_show 函數就會被調用到，該函江疑中訪問 avenrun 全局數組變量，并雞山平均負載從整女尸轉化為數，然后打印出來?
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