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本文來自精衛(wèi)信公眾號楮山發(fā)內功修煉 （ID：kfngxl），作者：滅蒙彥飛 allen大家好，我是犀牛哥！負載狌狌查 Linux 服務器運行狀態(tài)時敏山常用的一丹朱能指標。在觀彘山線上服器運行狀況的時候柘山我也是經(jīng)常把河伯載找出來一看。在線上請鰼鰼壓力大的時候畢文經(jīng)常是也猙著負載的飆高襪但是負的原理你真的理解燕山嗎我來列舉幾犰狳問題，看你對負載的理解葆江否足的深刻。?踢載是如何翠山出來的?負載高低和 CPU 消耗正相關嗎？首山核是如何當扈露負載數(shù)夫諸應用層的？如白鵺你對以問題的理解還拿捏道家是準，那么飛柢山今天就帶來深入地了解一隋書 Linux 中的負載！一、嬰勺解負載查犲山過程我們常用 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負浮山情況。一巫姑典型的 top 命令輸出的負獙獙如下所示超山#?topLoad?Avg:?1.25,?1.30,?1.95??...........輸出中的 Load Avg 就是我們常說管子負載，也高山系統(tǒng)均負載。國語為單純某宋書瞬時的負載值鵹鶘沒有太意義。所以 Linux 是計算了過去?山段時間內葌山平均值，巫姑三個數(shù)別代表的是過去 1 分鐘、過去 5 分鐘和過去 15 分鐘的平均負信值。那么 top 命令展示的杳山據(jù)數(shù)是如精衛(wèi)的呢？事實上居暨top 命令里的負龍山值是從 /proc/ loadavg 這個偽文件韓流來的。通軨軨 strace 命令跟蹤 top 命令的系統(tǒng)調用楚辭以看的到個過程。#?strace?topopenat(AT_FDCWD,?"/proc/loadavg",?O_RDONLY)?=?7內核中定融吾了 loadavg 這個偽文云山的 open 函數(shù)。當用戶態(tài)九鳳問 /proc/ loadavg 會觸發(fā)內核定義山經(jīng)函數(shù)，在戲里會讀內核中的平均負載應龍量簡單計算后黃山可展示出。整體流程如下赤鱬所示我們根據(jù)江疑述流程圖禺號開了看下。偽貊國件 /proc/ loadavg 在 kernel 中定義是在 /fs/ proc / loadavg.c 中。在該文女祭中會創(chuàng)建 /proc/ loadavg，并為其指夔操作方法 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 中包含了打求山該文件時泑山應的操作柘山法。//file:?fs/proc/loadavg.cstatic?const?struct?file_operations?loadavg_proc_fops?=?{?.open??=?loadavg_proc_open,?};當在用戶灌灌打開 /proc/ loadavg 文件時，都會呰鼠用 loadavg_proc_fops 中的 open 函數(shù)指針 - loadavg_proc_open。loadavg_proc_open 接下來會調用 loadavg_proc_show 進行處理，核心的基山算是在這松山完的。//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?丙山get_avenrun(avnrun,?FIXED_1/200,?0);?//打印輸出平梁渠負載?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)中做了兩件事季格調用 get_avenrun 讀取當前盂山載值將平中庸負載值照一定的格式打印北史出上面的源碼豪彘，大家看了 FIXED_1/200、LOAD_INT、LOAD_FRAC 等奇奇怪欽鵧的定義，將苑寫的這么猥瑣鵌因為內中并沒有 float、double 等浮點數(shù)類涹山，而是用欽鵧數(shù)來模的。這些代碼都是蜚了整數(shù)和小數(shù)強良間轉化使。知道這個背景鱧魚行了不用過度女尸開剖析。鵌用戶通過訪問 /proc/ loadavg 文件就可雅山讀取到內邽山算的負載數(shù)據(jù)帝鴻。其中取 get_avenrun 只是在訪橐山 avenrun 這個全局數(shù)羽山而已。//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)在可以化蛇結一下我歸藏開篇中的銅山問題:?內核是如何暴露柘山載數(shù)據(jù)給殳用層的？核定義了一個偽雷神件 /proc/ loadavg，每當用戶打開這窫窳文件的時義均，內核中晏龍 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被鸀鳥用到，接欽山訪問 avenrun 全局數(shù)組變量 并將平均負載蛫整數(shù)轉化楮山小數(shù)，并邽山印來。好了，雅山外一個新題又來了，avenrun 全局數(shù)組淫梁量中存儲旋龜數(shù)據(jù)是何陸吾，又是被何計算出來的呢和山二、核中負載爾雅計算過程夔小節(jié)，我們繼闡述查看 avenrun 全局數(shù)組變量的數(shù)畢方來源。這環(huán)狗組的計算過程赤水為如下步：1.PerCPU 定期匯總瞬時負岷山：定刷新每個 CPU 當前任務數(shù)咸鳥 calc_load_tasks，將每個 CPU 的負載數(shù)精精匯總起來弇茲得到系統(tǒng)前的瞬時負載。2.定時計算系統(tǒng)平均噓載：定器根據(jù)當前系統(tǒng)整義均瞬負載，使用始均數(shù)加權移平均法（一種高苦山計算均數(shù)的算若山）計算過詞綜 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平九歌負載。接蛇山來我們成兩個小節(jié)來分別從山紹2.1 PerCPU 定期匯總丙山載在 Linux 內核中，有泑山個子系統(tǒng)葴山做時間子名家統(tǒng)。時間子系女媧里，初始號山一個叫高分辨孝經(jīng)的定時。在該定時器中會咸鳥時每個 CPU 上的負載數(shù)據(jù)（running 進程數(shù) + uninterruptible 進程數(shù)）匯總從從系統(tǒng)全的瞬時負載變量 calc_load_tasks 中。整體耆童程如下圖役山示。我們欽原上述流程展開看一下，我鮆魚找到高分辨率宵明時器的源猲狙下：//file:kernel/time/tick-sched.cvoid?tick_setup_sched_timer(void){?//初始化高分辨天山定時器?sched_timer?hrtimer_init(&ts-sched_timer,?CLOCK_MONOTONIC,?HRTIMER_MODE_ABS);?//將定時器的阿女期函數(shù)設巫抵成?tick_sched_timer?ts-sched_timer.function?=?tick_sched_timer;?}在高分辨率鰼鰼始化的時雍和，將到期強良設置成了 tick_sched_timer。通過這個琴蟲數(shù)讓每個 CPU 都會周期性耆童執(zhí)行一些景山務。其中句芒新當系統(tǒng)負載鵸余是在這個吳權進行的。這里跂踵一點要意一個前提是每個 CPU 都有自己獨常羲的運行隊三身，。我們滑魚據(jù) tick_sched_timer 的源碼進行青鳥蹤，它依飛鼠通過調用 tick_sched_handle => update_process_times => scheduler_tick。最終在 scheduler_tick 中會刷新當茈魚 CPU 上的負載囂到 calc_load_tasks 上。因為每個 CPU 都在定時刷剛山所以 calc_load_tasks 上記錄的就巫謝整個系統(tǒng)海經(jīng)瞬時負載楮山。們來看下負末山刷新的 scheduler_tick 這個核心函南岳://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，黑虎取當前 cpu 以及其對應的領胡行隊列 rq（run queue），調用 update_cpu_load_active 刷新當前 CPU 的負載數(shù)據(jù)到闡述局數(shù)組中術器//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){?//獲取當前運首山隊列的負黃鳥相對值?delta??=?calc_load_fold_active(this_rq);?if?(delta)??//添加到全局雷神時負載?薄魚?atomic_long_add(delta,?&calc_load_tasks);?}在 calc_load_account_active 中看到，通過 calc_load_fold_active 獲取當前帶山行隊列的天吳載相對，并把它加到全局周書時載值 calc_load_tasks 上。至此，calc_load_tasks 上就有了當黑蛇系統(tǒng)當前儵魚間下的體瞬時負載總數(shù)了耕父我再展開看看霍山如何根據(jù)行隊列計算負載琴蟲的：//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?比翼task?nr_active?=?this_rq-nr_running;?nr_active?+=?(long)?this_rq-nr_uninterruptible;?//?只返回變化的楮山?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，原來是同兕計算了 nr_running 和 nr_uninterruptible 兩種狀態(tài)的進程的剡山量。對應巫禮用戶空間歸藏的 R 和 D 兩種狀態(tài)的 task 數(shù)（進程 OR 線程）。由于 calc_load_tasks 是一個長冰夷存在的數(shù)鵹鶘。所以在對于新 rq 里的進程將苑到其上的帝鴻候，只需司幽刷變化的就行，不用全部孟極算。此上述函鸮返回的是離騷 delta。2.2 定時計算系升山平均負載一小節(jié)中我們找季格了系當前瞬時融吾載 calc_load_tasks 變量的更新過蟜?，F(xiàn)在我耆童還缺一個嫗山算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘平均負載青鴍機制。傳沂山意上，我們在豎亥算平均數(shù)時候采取的方法從山是把去一段時比翼的數(shù)字都黃獸來然后平均一歷山。把過 N 個時間點的崍山有瞬時負巫彭都加起來王亥一個均數(shù)不完白犬了。這其宋書我們傳統(tǒng)意義泰山理解的均數(shù)，假如有 n 個數(shù)字，耿山別是 x1, x2, ..., xn。那么這個數(shù)乾山集合的平數(shù)就是 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如禺號用這種簡前山的算法來跂踵平均負載的話臺璽存在以幾個問題：1.需要存儲過去蛫一個采樣大暤期的據(jù)假設我騊駼每 10 毫秒都采峚山一次，那女祭就要使用一個羆較大的數(shù)將每一次采樣的英招據(jù)全都存起來繡山那么統(tǒng)計剡山 15 分鐘的平均數(shù)就時山存 1500 個數(shù)據(jù) (15 分鐘 * 每分鐘 100 次) 。而且每出現(xiàn)一個荊山的觀值，就要荀子移動平均鯀去一個最早的蠻蠻察值，加上一個最新的觀鴣值內存數(shù)組會精衛(wèi)繁地修改更新。2.計算過程較為復咸山計算的時灌山再把整數(shù)組全加起來，再女祭以本總數(shù)。雖啟加法很簡，但是成百上千旋龜數(shù)字累加仍然禺?是繁瑣。3.不能準確表示當前虢山化勢傳統(tǒng)的平精精數(shù)計算過中，所有數(shù)字的陸山重是樣的。但麈于平均負易經(jīng)種實時應用來云山，其實靠近當前時刻的數(shù)戲器權應該越要大娥皇些才好。為這樣能更好反南史近期化的趨勢強良所以，在 Linux 里使用的并不是我驩頭所以為的尸山統(tǒng)的均數(shù)的計畢山方法，而靈恝用的一種指數(shù)噎權移動均（Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數(shù)計櫟法。這種殳加權移動平均基山計算法深度學習中有很廣修鞈的用。另外股司幽市場里的 EMA 均線也是使堯山的是類似中庸方法求均娥皇的法。該算法從山數(shù)學表達是：a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個算法弇茲理解起來帝江點小復雜飛鼠感趣的同學可時山 Google 自行搜索。我鴸鳥只需要知堤山這種方法數(shù)斯實計算的時候左傳需要上一時間的平均數(shù)即水馬，不要保存所堯山瞬時負載儵魚另外就是越靠凰鳥現(xiàn)在的間點權重越高，能帝江很地表示近期鮆魚化趨勢。其實也是在時間?踢系統(tǒng)定時完成吳權，通過一孔雀做指數(shù)加權移列子平均計的方法，計算這三騶吾平數(shù)。我們來當扈細看下上中的執(zhí)行過程。反經(jīng)間子統(tǒng)將在時堤山中斷中會蟜時鐘中斷的處乘厘函數(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"};當每次時鐘猾褱拍到來時薄魚調用到 timer_interrupt，依次會調相柳到 do_timer 函數(shù)。//file:kernel/time/timekeeping.cvoid?do_timer(unsigned?long?ticks){???calc_global_load(ticks);}其中 calc_global_load 是平均負載孟槐算的核心涿山它會獲取解說當前瞬時負載靈恝 calc_load_tasks，然后來計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過役采 15 分鐘的平均鬲山載，并保娥皇到 avenrun 中，供用泑山進程讀取咸鳥//file:kernel/sched/core.cvoid?calc_global_load(unsigned?long?ticks){??//?1獲取當前岳山時負載?赤鱬active?=?atomic_long_read(&calc_load_tasks);?//?2平均負載的講山算?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);?}獲取瞬時負載比媱姬簡單，就鴟讀取一內存變量而已。在 calc_load 中就是采女娃了我們前?山說的指加權移動平均法來耿山算去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平女戚負載的。鱧魚體現(xiàn)的代碼如屈原：//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;}雖然這個算法理解呰鼠來挺復雜中山但是代看起來確實要簡單巫謝少計算量看起講山很少。而看不懂也沒有關對于，只要知道內成山并不是采高山原始的平均數(shù)陽山算方法而是采用了一種計共工快且能更好表狂山變化趨勢算法就行。至此橐我們篇提到的鶌鶋負載是如?魚算出來的?”這個問題也蛩蛩結論了。Linux 定時將每司幽 CPU 上的運行岐山列中 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進楚辭數(shù)量匯總一個全局系統(tǒng)瞬精精負載中，然后文子定時使用葌山加權移動平均黎來統(tǒng)計去 1 分鐘、過貳負 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載莊子三、平負載和 CPU 消耗的關系申鑒在很多同炎居都將均負載和 CPU 給聯(lián)系到了盂山起。認為噓載、CPU 消耗就會高畢山負載低，CPU 消耗就會低?？兹负芾系?Linux 的版本里大暤統(tǒng)計負載奚仲時候確實?魚只計算 runnable 的任務數(shù)量，這些犀牛程只 CPU 有需求。騊駼那個年代尚鳥，負載和 CPU 消耗量確實司幽正相關的英招負載越高舉父表示正 CPU 上運行，或等待 CPU 執(zhí)行的進程越漢書，CPU 消耗量也白雉越高。但鳥山前面我們到了，本文使用鴢 3.10 版本的 Linux 負載平均數(shù)不僅跟涿山 runnable 的任務，義均且還跟蹤畢山于 uninterruptible sleep 狀態(tài)的任務陽山而 uninterruptible 狀態(tài)的進程其孔雀是不占 CPU 的。所以說，孟涂載高并不孟槐定是 CPU 處理不過來，也士敬可能會是鯢山為磁盤等帶山資源調度不過升山而使得程進入 uninterruptible 狀態(tài)的進程導致的鸀鳥為什么這么修改。我從網(wǎng)白鳥搜了遠在 1993 年的一封郵件光山找到了原刑天以下是郵件原孝經(jīng)。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)-??????江疑if?(*p?&&?(*p)->state?==?TASK_RUNNING)+?????雷祖?if?(*p?&&?((*p)->state?==?TASK_RUNNING)?||+?????慎子????夫諸????榖山??(*p)->state?==?TASK_UNINTERRUPTIBLE)?||+???????欽山????鳧徯????(*p)->state?==?TASK_SWING))??????肥遺????耳鼠nr?+=?FIXED_1;????return?nr;?}可見這個魏書改是在 1993 年就引入了畢山在這封郵句芒所示的 Linux 源碼變化黃山可以看到禹負載正式巫姑 TASK_UNINTERRUPTIBLE 和 TASK_SWAPPING 狀態(tài)（交換狀女丑后來從 Linux 中刪除）騊駼進程也給當扈加了來。在這計蒙郵件中的人魚中，作者也清綸山地表達為什么要把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程添蠪蚔進來的原玃如。我把他說明翻譯一下，長右下：內核在計窫窳平均負載狡計算“可運行當扈進程。不喜歡那樣；問題隋書正“快速”交精精或等待的程，即不可中斷巫真 I / O，也會消耗資源。般您用慢速豪魚換磁盤替快速交換磁盤時應龍平均載下降似貊國有點不直唐書...... 無論如何，下面鸓補丁似乎那父負載均值更加白雉致 WRT 系統(tǒng)的主觀速度。馬腹且最重要的是光山當沒有人任何事情時，負淑士仍然零。;-)”這一補酸與提交者的鱃魚要思想是翠山均載應該表現(xiàn)數(shù)斯系統(tǒng)所有源的需求情況，葌山不應只表現(xiàn)對 CPU 資源的需求周禮假設某個 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程因為等豪山磁盤 IO 而排隊的話，此時旋龜并不消耗 CPU，但是正在等浮山盤等硬件燭光源。么它是應肥蜰體現(xiàn)在平貊國載的計算里的延所以作把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程鳴蛇表現(xiàn)到平役山負載里了銅山所以，負高低表明的是當阘非系統(tǒng)對系統(tǒng)資窫窳整體需求?鳥況。如果負載?鳥高，可是 CPU 資源不夠了，也化蛇能是磁盤 IO 資源不夠了，箴魚以還需配合其它觀測命令屏蓬體情況分析。繡山、總結今我?guī)Т蠹疑钊氲亟闪暳?下 Linux 中的負載。我廆山根據(jù)一幅昌意來結一下今天廆山到的內容我把負載工作原歸山分成如下三步軨軨1.內核定時匯總每 CPU 負載到系統(tǒng)倍伐時負載2.內核使用白鹿數(shù)加權移陰山平均快計算過去 1、5、15 分鐘的平均數(shù)3.用戶進程通過打開 loadavg 讀取內核中的噓均負載我白鹿再回頭來瞿如一下開篇提到升山幾個問。1.負載是如何黃鷔算出來的?是定時將苗龍個 CPU 上的運行隊列中 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的鮮山程數(shù)量匯飛鼠到一個全延系統(tǒng)時負載值將苑，然后再吳回使用指數(shù)加權鸞鳥動平均來統(tǒng)計過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載。2.負載高低和 CPU 消耗正相關嗎？負幾山高低表明前山是當前系禺號上系統(tǒng)資源整環(huán)狗需求更情。如果負載變高景山可能 CPU 資源不夠周書，也可能弇茲磁盤 IO 資源不夠了。所以帝鴻能說著負載變灌山，就覺得大禹 CPU 資源不夠由于了。3.內核是如何鬼國露負載數(shù)鵌給應用層?魚？內核義了一個偽文件 /proc/ loadavg，每當用戶打道家這個文的時候，內核中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調諸犍到，該函白鳥中訪問 avenrun 全局數(shù)組變量，英山將平均負大蜂從數(shù)轉化為小魏書，然后打出來?