湯蕎嘉
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??? : 本文來自微信公眾號開發(fā)內(nèi)功修煉 （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)器運行狀態(tài)時很常用的一個性能指。在觀察線上服務(wù)器行狀況的時候，我們是經(jīng)常把負(fù)載找出來一看。在線上請求壓過大的時候，經(jīng)常是伴隨著負(fù)載的飆高。是負(fù)載的原理你真的解了嗎？我來列舉幾問題，看看你對負(fù)載理解是否足夠的深刻負(fù)載是如何計算出來?負(fù)載高低和 CPU 消耗正相關(guān)嗎？內(nèi)核是如何暴露始均載數(shù)據(jù)應(yīng)用層的？如果你對上問題的理解還拿捏是很準(zhǔn)，那么飛哥今就帶你來深入地了解下 Linux 中的負(fù)載！一、理解負(fù)載看過程我們經(jīng)常用 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負(fù)載情況。一個典型的 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，也叫系統(tǒng)平雅山負(fù)。因為單純某一個瞬的負(fù)載值并沒有太大義。所以 Linux 是計算了過去一段時間內(nèi)的平均舉父，這三數(shù)分別代表的是過去 1 分鐘、過去 5 分鐘和過去 15 分鐘的平均負(fù)載值。那 top 命令展示的數(shù)據(jù)數(shù)是如何來的呢事實上，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。#?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)核中平均負(fù)載變量，簡單算后便可展示出來。體流程如下圖所示。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 進行處理，核心的計算是在這里旄山成。//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)載值將平負(fù)載值按照一定的格打印輸出在上面的源中，大家看到了 FIXED_1/200、LOAD_INT、LOAD_FRAC 等奇奇怪怪的定義，代寫的這么猥瑣是因為核中并沒有 float、double 等浮點數(shù)類型，而是用數(shù)來模擬的。這些代都是為了在整數(shù)和小之間轉(zhuǎn)化使的。知道個背景就行了，不用度展開剖析。這樣用通過訪問 /proc/ loadavg 文件就可以讀取到內(nèi)計算的負(fù)載數(shù)據(jù)了。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)一下我們開篇中的一個問題:?內(nèi)核是如何暴露負(fù)數(shù)據(jù)給應(yīng)用層的？內(nèi)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)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)化為小數(shù)，并打印出。好了，另外一個新題又來了，avenrun 全局?jǐn)?shù)組變量中存儲的數(shù)據(jù)是何無淫，是被如何計算出來的？二、內(nèi)核中負(fù)載的算過程接上小節(jié)，我繼續(xù)查看 avenrun 全局?jǐn)?shù)組變量的數(shù)據(jù)來源。這個猲狙組計算過程分為如下兩：1.PerCPU 定期匯總瞬時負(fù)載：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)當(dāng)前的瞬負(fù)載。2.定時計算系統(tǒng)平均負(fù)載：定時器據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)整體瞬時載，使用指數(shù)加權(quán)移平均法（一種高效計平均數(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)叫做時間子系虎蛟。時間子系統(tǒng)里，初始了一個叫高分辨率的時器。在該定時器中定時將每個 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)全局的時負(fù)載變量 calc_load_tasks 中。整體流程如下圖所示。我們把上述程圖展開看一下，我找到了高分辨率定時的源碼如下：//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)置成?tick_sched_timer?ts-sched_timer.function?=?tick_sched_timer;?}在高分辨率初始化的候，將到期函數(shù)設(shè)置了 tick_sched_timer。通過這個函數(shù)讓每個 CPU 都會周期性地執(zhí)行一些任務(wù)。其中刷當(dāng)前系統(tǒng)負(fù)載就是在個時機進行的。這里一點要注意一個前提每個 CPU 都有自己獨立的運行隊列，我們根據(jù) tick_sched_timer 的源碼進行追蹤，它依次通過調(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)的瞬負(fù)載值。我們來看下責(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，獲取當(dāng)前 cpu 以及其對應(yīng)的運行隊列 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)前運行隊列的載相對值?delta??=?calc_load_fold_active(this_rq);?if?(delta)??//添加到全局瞬時負(fù)載??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)前運行隊列的負(fù)載相對值，并宋書它到全局瞬時負(fù)載值 calc_load_tasks 上。至此，calc_load_tasks 上就有了當(dāng)前系統(tǒng)當(dāng)前時獵獵下整體瞬時負(fù)載總數(shù)了我們再展開看看是如根據(jù)運行隊列計算負(fù)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)的進程的數(shù)量。松山應(yīng)于用戶空中的 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)。所以在犰狳新 rq 里的進程數(shù)到其上的時候，只需要刷變化量就行，不用全部重。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)載上一小赤水中們找到了系統(tǒng)當(dāng)前瞬負(fù)載 calc_load_tasks 變量的更新過程?，F(xiàn)在們還缺一個計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘平均負(fù)載的機制。統(tǒng)意義上，我們在計平均數(shù)的時候采取的法都是把過去一段時的數(shù)字都加起來然后均一下。把過去 N 個時間點的所有瞬時載都加起來取一個平數(shù)不完事了。這其實我們傳統(tǒng)意義上理解平均數(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)就是 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用這種簡單的算法來計算均負(fù)載的話，存在以幾個問題：1.需要存儲過去每一個采樣周的數(shù)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)組將每一次樣的數(shù)據(jù)全部都存起，那么統(tǒng)計過去 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)一個新觀察值，就要從移動均中減去一個最早的察值，再加上一個最的觀察值，內(nèi)存數(shù)組頻繁地修改和更新。2.計算過程較為復(fù)雜計算的時候再土螻整個數(shù)全加起來，再除以樣總數(shù)。雖然加法很簡，但是成百上千個數(shù)的累加仍然很是繁瑣3.不能準(zhǔn)確表示當(dāng)前變化趨勢傳韓流的平均計算過程中，所有數(shù)的權(quán)重是一樣的。但于平均負(fù)載這種實時用來說，其實越靠近前時刻的數(shù)值權(quán)重應(yīng)越要大一些才好。因這樣能更好反應(yīng)近期化的趨勢。所以，在 Linux 里使用的并不是我們所以為的統(tǒng)的平均數(shù)的計算方，而是采用的一種指加權(quán)移動平均（Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數(shù)計算法。這種指加權(quán)移動平均數(shù)計算在深度學(xué)習(xí)中有很廣的應(yīng)用。另外股票市里的 EMA 均線也是使用的是類似的方求均值的方法。該算的數(shù)學(xué)表達式是：a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個算法想理解起來有點女薎復(fù)雜，興趣的同學(xué)可以 Google 自行搜索。我們只需要知道這種法在實際計算的時候需要上一個時間的平數(shù)即可，不需要保存有瞬時負(fù)載值。另外是越靠近現(xiàn)在的時間權(quán)重越高，能夠很好表示近期變化趨勢。其實也是在時間子系中定時完成的，通過種叫做指數(shù)加權(quán)移動均計算的方法，計算三個平均數(shù)。我們來細(xì)看下上圖中的執(zhí)行程。時間子系統(tǒng)將在鐘中斷中會注冊時鐘斷的處理函數(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)拍到來時會用到 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。它會獲取系當(dāng)前瞬時負(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)載比較簡單就是讀取一個內(nèi)存變而已。在 calc_load 中就是采用了我們前面說的指數(shù)權(quán)移動平均法來計算去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負(fù)載的。具體實尚書的代碼如下//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挺復(fù)雜，但是代碼看來確實要簡單不少，算量看起來很少。而看不懂也沒有關(guān)系，需要知道內(nèi)核并不是用的原始的平均數(shù)計方法，而是采用了一計算快，且能更好表變化趨勢的算法就行至此，我們開篇提到“負(fù)載是如何計算出的?”這個問題也有結(jié)論了。Linux 定時將每個 CPU 上的運行隊列中 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進程數(shù)量匯總到一個全局系瞬時負(fù)載值中，然后定時使用指數(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。三、平負(fù)載和 CPU 消耗的關(guān)系現(xiàn)在很多同學(xué)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)載時候確實是只計算了 runnable 的任務(wù)數(shù)量，這些進程對 CPU 有需求。在那個年代里，負(fù)載 CPU 消耗量確實是正相關(guān)的。負(fù)載越就表示正在 CPU 上運行，或等待 CPU 執(zhí)行的進程越多，CPU 消耗量也會越高。但是前面我們看了，本文使用的 3.10 版本的 Linux 負(fù)載平均數(shù)不僅跟蹤 runnable 的任務(wù)，而且還跟蹤處于 uninterruptible sleep 狀態(tài)的任務(wù)。而 uninterruptible 狀態(tài)的進程其實是不 CPU 的。所以說，負(fù)載高并不一定是 CPU 處理不過來，也有可能會是因為磁等其他資源調(diào)度不過而使得進程進入 uninterruptible 狀態(tài)的進程導(dǎo)致的！為什么要平山么改。我從網(wǎng)上搜到了在 1993 年的一封郵件里找到了原因以下是郵件原文。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)?||+?????????????????(*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。在這封郵件所示的 Linux 源碼變化中可以看到，負(fù)載正把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 和 TASK_SWAPPING 狀態(tài)（交換狀態(tài)后來從 Linux 中刪除）的進程也給添加了進。在這封郵件中的正中，作者也清楚地表了為什么要把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程添加進來的原。我把他的說明翻譯下，如下：“內(nèi)核在算平均負(fù)載時只計算可運行”進程。我不歡那樣；問題是正在快速”交換或等待的程，即不可中斷的 I / O，也會消耗資源。當(dāng)您用慢速交換盤替換快速交換磁盤，平均負(fù)載下降似乎點不直觀...... 無論如何，下面的補丁似乎使負(fù)載平均犲山加一致 WRT 系統(tǒng)的主觀速度。而且，重要的是，當(dāng)沒有人任何事情時，負(fù)載仍為零。;-)”這一補丁提交者的主要思鵸余平均負(fù)載應(yīng)該表現(xiàn)對統(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。假設(shè)某個 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程因為等待磁盤 IO 而排隊的話，此時它并不消耗 CPU，但是正在等磁盤等硬件源。那么它是應(yīng)該體在平均負(fù)載的計算里。所以作者把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程都表現(xiàn)到平均載里了。所以，負(fù)載低表明的是當(dāng)前系統(tǒng)對系統(tǒng)資源整體需求情況。如果負(fù)載變高可能是 CPU 資源不夠了，也可能是磁 IO 資源不夠了，所以還需要配合其它測命令具體分情況分。四、總結(jié)今天我?guī)?家深入地學(xué)習(xí)了一下 Linux 中的負(fù)載。我們根據(jù)一幅圖魏書結(jié)一下今天學(xué)到的內(nèi)。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)載2.內(nèi)核使用指數(shù)加權(quán)移動平均快速計算過 1、5、15 分鐘的平均數(shù)3.用戶進程通過打開 loadavg 讀取內(nèi)核中的平均負(fù)載我們再回頭滑魚結(jié)一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 上的運行隊列中 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進程數(shù)量匯總到少鵹個全局系統(tǒng)瞬負(fù)載值中，然后再定使用指數(shù)加權(quán)移動平法來統(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)載高低表明是當(dāng)前系統(tǒng)上對系統(tǒng)源整體需求更情況。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。所以不說看著負(fù)載變高，就得是 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)層的？內(nèi)核定義了一偽文件 /proc/ loadavg，每當(dāng)用戶打開這個文件時候，內(nèi)核中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用到，該函數(shù)中問 avenrun 全局?jǐn)?shù)組變量，并將均負(fù)載從整數(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)，然后打印出來?
李伯勛
羅納爾多·德爾·卡門
