本文來自微信眾號：開發(fā)內(nèi)修煉 （ID：kfngxl），作者：張彥 allen大家好，我是飛！負載是查看 Linux 服務(wù)器運行狀態(tài)很常用的一個能指標。在觀線上服務(wù)器運狀況的時候，們也是經(jīng)常把載找出來看一。在線上請求力過大的時候經(jīng)常是也伴隨負載的飆高。是負載的原理真的理解了嗎我來列舉幾個題，看看你對載的理解是否夠的深刻。負是如何計算出的?負載高低和 CPU 消耗正相關(guān)嗎？內(nèi)是如何暴露負數(shù)據(jù)給應(yīng)用層？如果你對以問題的理解還捏不是很準，么飛哥今天就你來深入地了一下 Linux 中的負載！一、理解負載看過程我們經(jīng)用 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負載情況。一個型的 top 命令輸出的負如下所示。#?topLoad?Avg:?1.25,?1.30,?1.95??...........輸出中的 Load Avg 就是我們常說負載，也叫系平均負載。因單純某一個瞬的負載值并沒太大意義。所 Linux 是計算了過去段時間內(nèi)的平值，這三個數(shù)別代表的是過 1 分鐘、過去 5 分鐘和過去 15 分鐘的平均負載。那么 top 命令展示的數(shù)據(jù)數(shù)是如何來呢？事實上，top 命令里的負載值是從 /proc/ loadavg 這個偽文件里的。通過 strace 命令跟蹤 top 命令的系統(tǒng)調(diào)可以看的到這過程。#?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)。當用戶態(tài)訪 /proc/ loadavg 會觸發(fā)內(nèi)核定義的函數(shù)，這里會讀取內(nèi)中的平均負載量，簡單計算便可展示出來整體流程如下所示。我們根上述流程圖再開了看下。偽件 /proc/ loadavg 在 kernel 中定義是在 /fs/ proc / loadavg.c 中。在該文件中會建 /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,?};當在用戶態(tài)打開 /proc/ loadavg 文件時，都會用 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，核心的算是在這里完的。//file:?fs/proc/loadavg.cstatic?int?loadavg_proc_show(struct?seq_file?*m,?void?*v){?unsigned?long?avnrun[3];?//獲取平均負載值?get_avenrun(avnrun,?FIXED_1/200,?0);?//打印輸出平均負?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 讀取當前負載值將均負載值按照定的格式打印出在上面的源中，大家看到 FIXED_1/200、LOAD_INT、LOAD_FRAC 等奇奇怪怪的定義，碼寫的這么猥是因為內(nèi)核中沒有 float、double 等浮點數(shù)類型，而是用整來模擬的。這代碼都是為了整數(shù)和小數(shù)之轉(zhuǎn)化使的。知這個背景就行，不用過度展剖析。這樣用通過訪問 /proc/ loadavg 文件就可以讀取內(nèi)核計算的負數(shù)據(jù)了。其中取 get_avenrun 只是在訪問 avenrun 這個全局數(shù)組已。//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)下我們開篇中一個問題:?內(nèi)核是如何暴露載數(shù)據(jù)給應(yīng)用的？內(nèi)核定義一個偽文件 /proc/ loadavg，每當用戶打開個文件的時候內(nèi)核中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用到，接著問 avenrun 全局數(shù)組變量 并將平均負載從整數(shù)轉(zhuǎn)為小數(shù)，并打出來。好了，外一個新問題來了，avenrun 全局數(shù)組變量中存儲數(shù)據(jù)是何時，是被如何計算來的呢？二、核中負載的計過程接上小節(jié)我們繼續(xù)查看 avenrun 全局數(shù)組變量的數(shù)據(jù)來源。個數(shù)組的計算程分為如下兩：1.PerCPU 定期匯總瞬時負載：定刷新每個 CPU 當前任務(wù)數(shù)到 calc_load_tasks，將每個 CPU 的負載數(shù)據(jù)匯總起，得到系統(tǒng)當的瞬時負載。2.定時計算系統(tǒng)平均負載：定器根據(jù)當前系整體瞬時負載使用指數(shù)加權(quán)動平均法（一高效計算平均的算法）計算去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負。接下來我們成兩個小節(jié)來別介紹。2.1 PerCPU 定期匯總負載在 Linux 內(nèi)核中，有一個子系統(tǒng)叫做間子系統(tǒng)。在間子系統(tǒng)里，始化了一個叫分辨率的定時。在該定時器會定時將每個 CPU 上的負載數(shù)據(jù)（running 進程數(shù) + uninterruptible 進程數(shù)）匯總到統(tǒng)全局的瞬時載變量 calc_load_tasks 中。整體流程如圖所示。我們上述流程圖展看一下，我們到了高分辨率時器的源碼如：//file:kernel/time/tick-sched.cvoid?tick_setup_sched_timer(void){?//初始化高分辨率時器?sched_timer?hrtimer_init(&ts-sched_timer,?CLOCK_MONOTONIC,?HRTIMER_MODE_ABS);?//將定時器的到期數(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，將到期函設(shè)置成了 tick_sched_timer。通過這個函讓每個 CPU 都會周期性地執(zhí)行一些任務(wù)其中刷新當前統(tǒng)負載就是在個時機進行的這里有一點要意一個前提是個 CPU 都有自己獨立的行隊列，。我根據(jù) tick_sched_timer 的源碼進行追蹤它依次通過調(diào) 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 calc_load_tasks 上記錄的就是整個系統(tǒng)瞬時負載值。們來看下負責(zé)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，獲當前 cpu 以及其對應(yīng)的行隊列 rq（run queue），調(diào)用 update_cpu_load_active 刷新當前 CPU 的負載數(shù)據(jù)到全局數(shù)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){?//獲取當前運行隊列的負相對值?delta??=?calc_load_fold_active(this_rq);?if?(delta)??//添加到全局瞬時負載??atomic_long_add(delta,?&calc_load_tasks);?}在 calc_load_account_active 中看到，通過 calc_load_fold_active 獲取當前運行隊列的負載對值，并把它到全局瞬時負值 calc_load_tasks 上。至此，calc_load_tasks 上就有了當前系統(tǒng)當時間下的整體時負載總數(shù)了我們再展開看是如何根據(jù)運隊列計算負載的：//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 nr_running 和 nr_uninterruptible 兩種狀態(tài)的進程的量。對應(yīng)于用空間中的 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)。所以在刷新 rq 里的進程數(shù)到其上的時，只需要刷變的量就行，不全部重算。因上述函數(shù)返回是一個 delta。2.2 定時計算系統(tǒng)均負載上一小中我們找到了統(tǒng)當前瞬時負 calc_load_tasks 變量的更新過程?，F(xiàn)在們還缺一個計過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘平均負載的機制。傳統(tǒng)義上，我們在算平均數(shù)的時采取的方法都把過去一段時的數(shù)字都加起然后平均一下把過去 N 個時間點的所有時負載都加起取一個平均數(shù)完事了。這其是我們傳統(tǒng)意上理解的平均，假如有 n 個數(shù)字，分別 x1, x2, ..., xn。那么這個數(shù)據(jù)集合的平數(shù)就是 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用種簡單的算法計算平均負載話，存在以下個問題：1.需要存儲過去每個采樣周期的據(jù)假設(shè)我們每 10 毫秒都采集一次，那么需要使用一個較大的數(shù)組將一次采樣的數(shù)全部都存起來那么統(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)個新的觀察值就要從移動平中減去一個最的觀察值，再上一個最新的察值，內(nèi)存數(shù)會頻繁地修改更新。2.計算過程較為復(fù)雜算的時候再把個數(shù)組全加起，再除以樣本數(shù)。雖然加法簡單，但是成上千個數(shù)字的加仍然很是繁。3.不能準確表示當前變化勢傳統(tǒng)的平均計算過程中，有數(shù)字的權(quán)重一樣的。但對平均負載這種時應(yīng)用來說，實越靠近當前刻的數(shù)值權(quán)重該越要大一些好。因為這樣更好反應(yīng)近期化的趨勢。所，在 Linux 里使用的并不是我們所以的傳統(tǒng)的平均的計算方法，是采用的一種數(shù)加權(quán)移動平（Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數(shù)計算。這種指數(shù)加移動平均數(shù)計法在深度學(xué)習(xí)有很廣泛的應(yīng)。另外股票市里的 EMA 均線也是使用是類似的方法均值的方法。算法的數(shù)學(xué)表式是：a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個算法想理解起來點小復(fù)雜，感趣的同學(xué)可以 Google 自行搜索。我只需要知道這方法在實際計的時候只需要一個時間的平數(shù)即可，不需保存所有瞬時載值。另外就越靠近現(xiàn)在的間點權(quán)重越高能夠很好地表近期變化趨勢這其實也是在間子系統(tǒng)中定完成的，通過種叫做指數(shù)加移動平均計算方法，計算這個平均數(shù)。我來詳細看下上中的執(zhí)行過程時間子系統(tǒng)將時鐘中斷中會冊時鐘中斷的理函數(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"};當每次時鐘節(jié)拍到時會調(diào)用到 timer_interrupt，依次會調(diào)用 do_timer 函數(shù)。//file:kernel/time/timekeeping.cvoid?do_timer(unsigned?long?ticks){???calc_global_load(ticks);}其中 calc_global_load 是平均負載計算的核心。會獲取系統(tǒng)當瞬時負載值 calc_load_tasks，然后來計算去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負，并保存到 avenrun 中，供用戶進讀取。//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);?}獲取瞬時負載比簡單，就是讀一個內(nèi)存變量已。在 calc_load 中就是采用了們前面說的指加權(quán)移動平均來計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載的。體實現(xiàn)的代碼下：//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;}雖然這個算法解起來挺復(fù)雜但是代碼看起確實要簡單不，計算量看起很少。而且看懂也沒有關(guān)系只需要知道內(nèi)并不是采用的始的平均數(shù)計方法，而是采了一種計算快且能更好表達化趨勢的算法行。至此，我開篇提到的“載是如何計算來的?”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)量匯總到一全局系統(tǒng)瞬時載值中，然后定時使用指數(shù)權(quán)移動平均法統(tǒng)計過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載。三、均負載和 CPU 消耗的關(guān)系現(xiàn)在很多同學(xué)將平均負載和 CPU 給聯(lián)系到了一起。認負載高、CPU 消耗就會高，負載低，CPU 消耗就會低。在很老的 Linux 的版本里，統(tǒng)計負載時候確實是只算了 runnable 的任務(wù)數(shù)量，這些程只對 CPU 有需求。在那個年代里，負和 CPU 消耗量確實是正關(guān)的。負載越就表示正在 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到了，本文使的 3.10 版本的 Linux 負載平均數(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)。 uninterruptible 狀態(tài)的進程其實是不占 CPU 的。所以說，負載高不一定是 CPU 處理不過來，也有可能會因為磁盤等其資源調(diào)度不過而使得進程進 uninterruptible 狀態(tài)的進程導(dǎo)致的！為么要這么修改我從網(wǎng)上搜到遠在 1993 年的一封郵件里找到了原因以下是郵件原。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。在這封郵所示的 Linux 源碼變化中可以看到，載正式把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 和 TASK_SWAPPING 狀態(tài)（交換狀后來從 Linux 中刪除）的進程也給添了進來。在這郵件中的正文，作者也清楚表達了為什么把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程添加進來的原。我把他的說翻譯一下，如：“內(nèi)核在計平均負載時只算“可運行”程。我不喜歡樣；問題是正“快速”交換等待的進程，不可中斷的 I / O，也會消耗資源。當用慢速交換磁替換快速交換盤時，平均負下降似乎有點直觀...... 無論如何，下面的補丁似使負載平均值加一致 WRT 系統(tǒng)的主觀速度。而且，最要的是，當沒人做任何事情，負載仍然為。;-)”這一補丁提交者的要思想是平均載應(yīng)該表現(xiàn)對統(tǒng)所有資源的求情況，而不該只表現(xiàn)對 CPU 資源的需求。假設(shè)某個 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程因等待磁盤 IO 而排隊的話，此時它并不消 CPU，但是正在等磁盤等件資源。那么是應(yīng)該體現(xiàn)在均負載的計算的。所以作者 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程都表現(xiàn)到平均負里了。所以，載高低表明的當前系統(tǒng)上對統(tǒng)資源整體需更情況。如果載變高，可能 CPU 資源不夠了，也可是磁盤 IO 資源不夠了，以還需要配合它觀測命令具分情況分析。、總結(jié)今天我大家深入地學(xué)了一下 Linux 中的負載。我們根據(jù)一圖來總結(jié)一下天學(xué)到的內(nèi)容我把負載工作理分成了如下步。1.內(nèi)核定時匯總每 CPU 負載到系統(tǒng)瞬時負載2.內(nèi)核使用指數(shù)加移動平均快速算過去 1、5、15 分鐘的平均數(shù)3.用戶進程通過打開 loadavg 讀取內(nèi)核中的平均負載我們回頭來總結(jié)一開篇提到的幾問題。1.負載是如何計算出的?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)量總到一個全局統(tǒng)瞬時負載值，然后再定時用指數(shù)加權(quán)移平均法來統(tǒng)計去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負。2.負載高低和 CPU 消耗正相關(guān)嗎？載高低表明的當前系統(tǒng)上對統(tǒng)資源整體需更情況。如果載變高，可能 CPU 資源不夠了，也可是磁盤 IO 資源不夠了。以不能說看著載變高，就覺是 CPU 資源不夠用了。3.內(nèi)核是如何暴露負載數(shù)據(jù)給用層的？內(nèi)核義了一個偽文 /proc/ loadavg，每當用戶打開這個文件的候，內(nèi)核中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用到，函數(shù)中訪問 avenrun 全局數(shù)組變量并將平均負載整數(shù)轉(zhuǎn)化為小，然后打印出?