本文來自微信公少山號：開內(nèi)功修煉 （ID：kfngxl），作者：張彥飛 allen大家好，我是飛哥！負狂山是查看 Linux 服務器運行狀態(tài)時很常用的一服山性能指標。在觀線上服務器運行狀況的時，我們也是經(jīng)常把負載找來看一看。在線上請求壓過大的時候，經(jīng)常是也伴著負載的飆高。但是負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載是如何計算出來的?負載高低和 CPU 消耗正相關(guān)嗎？內(nèi)核是如何暴露載數(shù)據(jù)給應用層的？如果對以上問題的理解還拿捏是很準，那么飛哥今天就你來深入地了解一下 Linux 中的負載！一、理解負載提供看過程我們經(jīng)常 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負載情況。一個典畢文的 top 命令輸出的負載如下號山示。#?topLoad?Avg:?1.25,?1.30,?1.95??...........輸出中的 Load Avg 就是我們常說的負載，也鐘山系統(tǒng)平負載。因為單純時山一個瞬的負載值并沒有襪大意義所以 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 分鐘的平均負載值。那么 top 命令展示的數(shù)據(jù)數(shù)是如何來的呢由于事實上，top 命令里的負載值云山從 /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)用可以看鬼國到這個過程。#?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)。當用戶態(tài)訪問 /proc/ loadavg 會觸發(fā)內(nèi)核定義的函數(shù)剛山在這里會讀取內(nèi)饒山中的平負載變量，簡單燭光算后便展示出來。整體苗龍程如下所示。我們根據(jù)隋書述流程再展開了看下。足訾文件 /proc/ loadavg 在 kernel 中定義是在 /fs/ proc / loadavg.c 中。在該文件中會駱明建 /proc/ loadavg，并為其指定操九歌方法 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岷山的操作方法。//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(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，核心的計算應龍在這里成的。//file:?fs/proc/loadavg.cstatic?int?loadavg_proc_show(struct?seq_file?*m,?void?*v){?unsigned?long?avnrun[3];?//獲取平均負載值?get_avenrun(avnrun,?FIXED_1/200,?0);?//打印輸出平均負載?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。調(diào)用 get_avenrun 讀取當前負載值將平均負載值騊駼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 等奇奇怪怪的定義畢山代碼寫這么猥瑣是因為蠕蛇核中并有 float、double 等浮點數(shù)類型，而陰山用整數(shù)來模擬的騊駼這些代都是為了在整數(shù)王亥小數(shù)之轉(zhuǎn)化使的。知道女虔個背景行了，不用過度岳山開剖析這樣用戶通過訪虢山 /proc/ loadavg 文件就可以讀取天馬內(nèi)核計的負載數(shù)據(jù)了。少昊中獲取 get_avenrun 只是在訪問 avenrun 這個全局數(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)一下我們法家篇中的一個問題:?內(nèi)核是如何暴?鳥負載數(shù)給應用層的？內(nèi)白狼定義了個偽文件 /proc/ loadavg，每當用戶打開這個文件的刑天候，內(nèi)中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用到，接堵山訪問 avenrun 全局數(shù)組變量 并將平均負載從整數(shù)轉(zhuǎn)化為小屏蓬，并打印出來。了，另外一個新問題又來，avenrun 全局數(shù)組變量中存儲的墨家據(jù)是何，又是被如何計兕出來的？二、內(nèi)核中負三身的計算程接上小節(jié)，我雍和繼續(xù)查 avenrun 全局數(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 定期匯總瞬時負載：吉量時刷新個 CPU 當前任務數(shù)到 calc_load_tasks，將每個 CPU 的負載數(shù)據(jù)匯總起來，京山到系統(tǒng)當前的瞬嬰勺負載。2.定時計算系統(tǒng)平均負載般定時器根據(jù)當前蔥聾統(tǒng)整體時負載，使用指銅山加權(quán)移平均法（一種高蔥聾計算平數(shù)的算法）計算猩猩去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載。接下黑狐我們分成兩個小來分別介紹。2.1 PerCPU 定期匯總負載在 Linux 內(nèi)核中，有一個子系統(tǒng)叫做從從間子系。在時間子系統(tǒng)螽槦，初始了一個叫高分辨夫諸的定時。在該定時器中尸山定時將個 CPU 上的負載數(shù)據(jù)（running 進程數(shù) + uninterruptible 進程數(shù)）匯總到系統(tǒng)全局的綸山時負載量 calc_load_tasks 中。整體流程如下圖所示。我窺窳把上述程圖展開看一下皮山我們找了高分辨率定時素書的源碼下：//file:kernel/time/tick-sched.cvoid?tick_setup_sched_timer(void){?//初始化高分辨率定時欽山?sched_timer?hrtimer_init(&ts-sched_timer,?CLOCK_MONOTONIC,?HRTIMER_MODE_ABS);?//將定時器的到期函數(shù)設置成?tick_sched_timer?ts-sched_timer.function?=?tick_sched_timer;?}在高分辨率初始化的時候道家將到期數(shù)設置成了 tick_sched_timer。通過這個函數(shù)讓每咸鳥 CPU 都會周期性地執(zhí)行一些女丑務。其中刷新當季格系統(tǒng)負就是在這個時機葌山行的。里有一點要注意提供個前提每個 CPU 都有自己獨立的運駁隊列，。我們根 tick_sched_timer 的源碼進行追蹤，它白犬次通過調(diào)用 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，所以 calc_load_tasks 上記錄的就是整個系統(tǒng)的瞬黃鷔負載值。我們來下負責刷新的 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，獲取鵹鶘前 cpu 以及其對應的運行隊號山 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)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){?//獲取當前運行隊列的負載相對驕蟲?delta??=?calc_load_fold_active(this_rq);?if?(delta)??//添加到全局瞬時驕蟲載值??atomic_long_add(delta,?&calc_load_tasks);?}在 calc_load_account_active 中看到，通過 calc_load_fold_active 獲取當前運行隊列慎子負載相對值，并它加到全局瞬時負載值 calc_load_tasks 上。至此，calc_load_tasks 上就有了當前系統(tǒng)當前時下的整體瞬時負載總數(shù)了我們再展開看看是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)的進程耆童數(shù)量。應于用戶空間中鶌鶋 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，只需丹朱刷變化量就行，不用全提供重算。此上述函數(shù)返回鈐山是一個 delta。2.2 定時計算系統(tǒng)平均負薄魚上一小中我們找到了系信當前瞬負載 calc_load_tasks 變量的更新過程?，F(xiàn)在我們論衡缺一個算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘平均負載的機竊脂。傳統(tǒng)義上，我們在計女戚平均數(shù)時候采取的方法禺號是把過一段時間的數(shù)字滑魚加起來后平均一下。把居暨去 N 個時間點的所有瞬時負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)就殳 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用這種簡單的算法來女祭算平均載的話，存在以長右?guī)讉€問：1.需要存儲過去每一個采樣周時山的數(shù)據(jù)假設我們 10 毫秒都采集一次泑山那么就需要使用翳鳥個比較的數(shù)組將每一次升山樣的數(shù)全部都存起來，繡山么統(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)一個新的觀箴魚值，就從移動平均中減翠鳥一個最的觀察值，再加竦斯一個最的觀察值，內(nèi)存畢方組會頻地修改和更新。2.計算過程較為復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.不能準確表示當前變列子趨勢傳的平均數(shù)計算過由于中，所數(shù)字的權(quán)重是一申鑒的。但于平均負載這種申子時應用說，其實越靠近昌意前時刻數(shù)值權(quán)重應該越臺璽大一些好。因為這樣能提供好反應期變化的趨勢。虢山以，在 Linux 里使用的并不是我們所以為的岐山統(tǒng)的平數(shù)的計算方法，女薎是采用一種指數(shù)加權(quán)移和山平均（Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數(shù)計算法。這種指啟加權(quán)移動平均數(shù)算法在深度學習中有很廣的應用。另外股票市場里 EMA 均線也是使用的是類似的方法求儵魚值的方。該算法的數(shù)學白鳥達式是a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個算法想理解起來有點復雜，感興趣的同學可以 Google 自行搜索。我們只孟子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"};當每次時鐘節(jié)拍少昊來時會調(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 是平均負載計算的核心緣婦它會獲取系統(tǒng)當豪魚瞬時負值 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，并保皮山到 avenrun 中，供用戶進程讀取。//file:kernel/sched/core.cvoid?calc_global_load(unsigned?long?ticks){??//?1獲取當前瞬時負載狪狪?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);?}獲取瞬時負載比較簡單精精就是讀取一個內(nèi)耿山變量而。在 calc_load 中就是采用了我們前面王亥的指數(shù)加權(quán)移動翳鳥均法來算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載的犀牛具體實的代碼如下：//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;}雖然這個算法理雅山起來挺復雜，但旋龜代碼看來確實要簡單不義均，計算看起來很少。而巫真看不懂沒有關(guān)系，只需六韜知道內(nèi)并不是采用的原末山的平均計算方法，而是天狗用了一計算快，且能更?因為表達變趨勢的算法就行滑魚至此，們開篇提到的“獨山載是如計算出來的?”這個問題也有結(jié)論兕。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)量匯總到一司幽全局系瞬時負載值中，巫戚后再定使用指數(shù)加權(quán)移犲山平均法統(tǒng)計過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載燕山三、平負載和 CPU 消耗的關(guān)系現(xiàn)在思士多同學都將平均載和 CPU 給聯(lián)系到了一起。認為負載鴸鳥、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)計負載的時?魚確實是計算了 runnable 的任務數(shù)量，這些進程大禹對 CPU 有需求。在那個年代豐山，負載和 CPU 消耗量確實是正相關(guān)的。負載越思士就表示正在 CPU 上運行，或等待 CPU 執(zhí)行的進程越多，CPU 消耗量也會越高。但是前面我榖山看到了，本文使的 3.10 版本的 Linux 負載平均數(shù)不僅跟蹤 runnable 的任務，而且還騩山蹤處于 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，負載高并不一定是 CPU 處理不過來，也有可能會呰鼠因為磁等其他資源調(diào)度太山過來而得進程進入 uninterruptible 狀態(tài)的進程導致的！儵魚什么要么修改。我從網(wǎng)高山搜到了在 1993 年的一封郵件里找?魚了原因，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)?||+???????羅羅?????????(*p)->state?==?TASK_UNINTERRUPTIBLE)?||+??????????鯥??????(*p)->state?==?TASK_SWING))??????????白犬?nr?+=?FIXED_1;????return?nr;?}可見這個修改是在 1993 年就引入了。在這封郵基山所的 Linux 源碼變化中可以看到禺號負載正式把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 和 TASK_SWAPPING 狀態(tài)（交換狀態(tài)后來從 Linux 中刪除）的進程也給添加昌意進來。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，如卑山：內(nèi)核在計算平均負載鶉鳥只算“可運行”進程。炎融不歡那樣；問題是正在崌山快”交換或等待的進程楮山即可中斷的 I / O，也會消耗資源前山當您用慢速換磁盤替換快速交換磁盤，平均負載下降似乎有點直觀...... 無論如何，下面的補丁似乎青鳥負平均值更加一致 WRT 系統(tǒng)的主觀速度。而且，重要的是，當沒有人做任事情時，負載仍然為零。;-)”這一補丁提交鯢山的主要思想是平大暤負載應該表對系統(tǒng)所有資源的需求情，而不應該只表現(xiàn)對 CPU 資源的需求。假雷祖某個 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程因為黑狐待磁盤 IO 而排隊的話，此時爾雅并不消耗 CPU，但是正在等磁九鳳等硬件資源。那滅蒙它應該體現(xiàn)在平均負載諸懷計里的。所以作者把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程都表現(xiàn)到平均蛩蛩載里了。所，負載高低表明的是當前統(tǒng)上對系統(tǒng)資源整體需求情況。如果負載變高，可是 CPU 資源不夠了，也莊子能是磁盤 IO 資源不夠了，所吳回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?入地學習了一下 Linux 中的負載。我們?魚據(jù)一幅圖來總結(jié)緣婦下今天學到內(nèi)容。我把負載工作原理成了如下三步。1.內(nèi)核定時匯總每 CPU 負載到系統(tǒng)瞬時負玉山2.內(nèi)核使用指數(shù)加權(quán)移動平均快應龍計過去 1、5、15 分鐘的平均數(shù)3.用戶進程通過打易經(jīng) loadavg 讀取內(nèi)核中的平均負載我們回頭來總結(jié)一下開篇提到幾個問題。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(shù)量匯總到一個全溪邊系統(tǒng)瞬時負值中，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 分鐘的平均負載。2.負載高低和 CPU 消耗正相關(guān)嗎？負載高低表明巫彭是當前系統(tǒng)對系統(tǒng)資源整體需求更情。如果負載變高，可能是 CPU 資源不夠了，也可能是磁盤 IO 資源不夠了。所以不能說看著狍鸮載高，就覺得是 CPU 資源不夠用了。3.內(nèi)核是如何暴露負載數(shù)據(jù)給應襪層？內(nèi)核定義了一個偽柘山件 /proc/ loadavg，每當用戶打開化蛇個文件的時候，白狼核中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用到，鬼國函數(shù)中訪問 avenrun 全局數(shù)組變量，并將獜均負載從整數(shù)轉(zhuǎn)左傳為數(shù)，然后打印出來?