本文來自微信公號：開發(fā)內功修 （ID：kfngxl），作者：張彥飛 allen大家好，我是飛哥！負載是殳看 Linux 服務器運行狀態(tài)時很用的一個性能指。在觀察線上服器運行狀況的時，我們也是經常負載找出來看一。在線上請求壓過大的時候，經是也伴隨著負載飆高。但是負載原理你真的理解嗎？我來列舉幾問題，看看你對載的理解是否足的深刻。負載是何計算出來的?負載高低和 CPU 消耗正相關嗎？內核是如何暴露載數據給應用層？如果你對以上題的理解還拿捏是很準，那么飛今天就帶你來深地了解一下 Linux 中的負載！一、理解負載看過程我們經常 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負載情況一個典型的 top 命令輸出的負載如下所示。#?topLoad?Avg:?1.25,?1.30,?1.95??...........輸出中的 Load Avg 就是我們常說的載，也叫系統(tǒng)平負載。因為單純一個瞬時的負載并沒有太大意義所以 Linux 是計算了過去一段時間內的平均，這三個數分別表的是過去 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何來的呢事實上，top 命令里的負載值從 /proc/ loadavg 這個偽文件里來的。通過 strace 命令跟蹤 top 命令的系統(tǒng)調用可以看到這個過程。#?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。當用戶態(tài)訪問 /proc/ loadavg 會觸發(fā)內核定義的函數在這里會讀取內中的平均負載變，簡單計算后便展示出來。整體程如下圖所示。們根據上述流程再展開了看下。文件 /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，核心的計算在這里完成的。//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 函數中做了兩件事。用 get_avenrun 讀取當前負載值將平負載值按照一定格式打印輸出在面的源碼中，大看到了 FIXED_1/200、LOAD_INT、LOAD_FRAC 等奇奇怪怪的定義，代碼寫這么猥瑣是因為核中并沒有 float、double 等浮點數類型，而是用整數模擬的。這些代都是為了在整數小數之間轉化使。知道這個背景行了，不用過度開剖析。這樣用通過訪問 /proc/ loadavg 文件就可以讀取到內核計的負載數據了。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篇中的一個問題:?內核是如何暴負載數據給應用的？內核定義了個偽文件 /proc/ loadavg，每當用戶打開這個文件的候，內核中的 loadavg_proc_show 函數就會被調用到，接著訪問 avenrun 全局數組變量 并將平均負載從整數化為小數，并打出來。好了，另一個新問題又來，avenrun 全局數組變量中存儲的數據是何，又是被如何計出來的呢？二、核中負載的計算程接上小節(jié)，我繼續(xù)查看 avenrun 全局數組變量的數據來。這個數組的計過程分為如下兩：1.PerCPU 定期匯總瞬時負載：定時刷新個 CPU 當前任務數到 calc_load_tasks，將每個 CPU 的負載數據匯總起來，到系統(tǒng)當前的瞬負載。2.定時計算系統(tǒng)平均負載定時器根據當前統(tǒng)整體瞬時負載使用指數加權移平均法（一種高計算平均數的算）計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載。接下來我們分兩個小節(jié)來分別紹。2.1 PerCPU 定期匯總負載在 Linux 內核中，有一個子系統(tǒng)叫做間子系統(tǒng)。在時子系統(tǒng)里，初始了一個叫高分辨的定時器。在該時器中會定時將個 CPU 上的負載數據（running 進程數 + uninterruptible 進程數）匯總到系統(tǒng)全局的時負載變量 calc_load_tasks 中。整體流程如下圖示。我們把上述程圖展開看一下我們找到了高分率定時器的源碼下：//file:kernel/time/tick-sched.cvoid?tick_setup_sched_timer(void){?//初始化高分辨率定時?sched_timer?hrtimer_init(&ts-sched_timer,?CLOCK_MONOTONIC,?HRTIMER_MODE_ABS);?//將定時器的到期函數設置成?tick_sched_timer?ts-sched_timer.function?=?tick_sched_timer;?}在高分辨率初始化的時候將到期函數設置了 tick_sched_timer。通過這個函數讓每個 CPU 都會周期性地執(zhí)行一些任務。其刷新當前系統(tǒng)負就是在這個時機行的。這里有一要注意一個前提每個 CPU 都有自己獨立的運隊列，。我們根 tick_sched_timer 的源碼進行追蹤，它依次通過用 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 上記錄的就是整個統(tǒng)的瞬時負載值我們來看下負責新的 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，獲取前 cpu 以及其對應的運行隊 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。//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?delta??=?calc_load_fold_active(this_rq);?if?(delta)??//添加到全局瞬時載值??atomic_long_add(delta,?&calc_load_tasks);?}在 calc_load_account_active 中看到，通過 calc_load_fold_active 獲取當前運行隊列負載相對值，并它加到全局瞬時載值 calc_load_tasks 上。至此，calc_load_tasks 上就有了當前系當前時間下的整瞬時負載總數了我們再展開看看如何根據運行隊計算負載值的：//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)的進程數量。對應于用空間中的 R 和 D 兩種狀態(tài)的 task 數（進程 OR 線程）。由于 calc_load_tasks 是一個長期存在的數據所以在刷新 rq 里的進程數到其上的時候，只均國刷變化的量就行不用全部重算。此上述函數返回是一個 delta。2.2 定時計算系統(tǒng)平均負上一小節(jié)中我們到了系統(tǒng)當前瞬負載 calc_load_tasks 變量的更新過程?，F在我們缺一個計算過去 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，我們在計平均數的時候采的方法都是把過一段時間的數字加起來然后平均下。把過去 N 個時間點的所有時負載都加起來一個平均數不完了。這其實是我傳統(tǒng)意義上理解平均數，假如有 n 個數字，分別是 x1, x2, ..., xn。那么這個數據集合的平均數就 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用這種簡單的算法來算平均負載的話存在以下幾個問：1.需要存儲過去每一個采樣周的數據假設我們 10 毫秒都采集一次，那么就要使用一個比較的數組將每一次樣的數據全部都起來，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) 。而且每出現一個新的觀值，就要從移動均中減去一個最的觀察值，再加一個最新的觀察，內存數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組全加起，再除以樣本總。雖然加法很簡，但是成百上千數字的累加仍然是繁瑣。3.不能準確表示當前變趨勢傳統(tǒng)的平均計算過程中，所數字的權重是一的。但對于平均載這種實時應用說，其實越靠近前時刻的數值權應該越要大一些好。因為這樣能好反應近期變化趨勢。所以，在 Linux 里使用的并不是我們以為的傳統(tǒng)的平數的計算方法，是采用的一種指加權移動平均（Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數計算法這種指數加權移平均數計算法在度學習中有很廣的應用。另外股市場里的 EMA 均線也是使用的是類似的方法戲值的方法。該算的數學表達式是a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個算法想理解起來有點復雜，感興趣的學可以 Google 自行搜索。我們只需要知道種方法在實際計的時候只需要上個時間的平均數可，不需要保存有瞬時負載值。外就是越靠近現的時間點權重越，能夠很好地表近期變化趨勢。其實也是在時間系統(tǒng)中定時完成，通過一種叫做數加權移動平均算的方法，計算三個平均數。我來詳細看下上圖的執(zhí)行過程。時子系統(tǒng)將在時鐘斷中會注冊時鐘斷的處理函數為 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)拍來時會調用到 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 是平均負載計算的核心它會獲取系統(tǒng)當瞬時負載值 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);?}獲取瞬時負載比較簡單，就是讀一個內存變量而。在 calc_load 中就是采用了我們前面的指數加權移動均法來計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載的。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;}雖然這個算法理起來挺復雜，但代碼看起來確實簡單不少，計算看起來很少。而看不懂也沒有關，只需要知道內并不是采用的原的平均數計算方，而是采用了一計算快，且能更表達變化趨勢的法就行。至此，們開篇提到的“載是如何計算出的?”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)的進程數量總到一個全局系瞬時負載值中，后再定時使用指加權移動平均法統(tǒng)計過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載三、平均負載和 CPU 消耗的關系現在很多同學將平均負載和 CPU 給聯系到了一起。認為負載、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)計負載的時確實是只計算了 runnable 的任務數量，這些進程只對 CPU 有需求。在那個年代里，負載 CPU 消耗量確實是正相關的負載越高就表示在 CPU 上運行，或等待 CPU 執(zhí)行的進程越多，CPU 消耗量也會越高。但前面我們看到了本文使用的 3.10 版本的 Linux 負載平均數不僅跟蹤 runnable 的任務，而且還蹤處于 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，也有可能會因為磁盤等其他源調度不過來而得進程進入 uninterruptible 狀態(tài)的進程導致的！什么要這么修改我從網上搜到了在 1993 年的一封郵件里找了原因，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)?||+?????????????????(*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。在這封郵件所的 Linux 源碼變化中可以到，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）的進程也給加了進來。在這郵件中的正文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。我把他的說明譯一下，如下：內核在計算平均載時只計算“可行”進程。我不歡那樣；問題是在“快速”交換等待的進程，即可中斷的 I / O，也會消耗資源。當您用慢速換磁盤替換快速換磁盤時，平均載下降似乎有點直觀...... 無論如何，下面的補丁似乎使負平均值更加一致 WRT 系統(tǒng)的主觀速度。而且，重要的是，當沒人做任何事情時負載仍然為零。;-)”這一補丁提交者的主要思想平均負載應該表對系統(tǒng)所有資源需求情況，而不該只表現對 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資源那么它是應該體在平均負載的計里的。所以作者 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程都表現到均負載里了。所，負載高低表明是當前系統(tǒng)上對統(tǒng)資源整體需求情況。如果負載高，可能是 CPU 資源不夠了，也可能是磁盤 IO 資源不夠了，所以還需要配合它觀測命令具體情況分析。四、結今天我?guī)Т蠹?入地學習了一下 Linux 中的負載。我們根據幅圖來總結一下天學到的內容。把負載工作原理成了如下三步。1.內核定時匯總每 CPU 負載到系統(tǒng)瞬時負載2.內核使用指數加移動平均快速計過去 1、5、15 分鐘的平均數3.用戶進程通過打開 loadavg 讀取內核中的平均負載我們回頭來總結一下篇提到的幾個問。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)的進程數量匯總到一全局系統(tǒng)瞬時負值中，然后再定使用指數加權移平均法來統(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 消耗正相關嗎？載高低表明的是前系統(tǒng)上對系統(tǒng)源整體需求更情。如果負載變高可能是 CPU 資源不夠了，也能是磁盤 IO 資源不夠了。所不能說看著負載高，就覺得是 CPU 資源不夠用了。3.內核是如何暴露負載數據應用層的？內核義了一個偽文件 /proc/ loadavg，每當用戶打開這個件的時候，內核的 loadavg_proc_show 函數就會被調用到，該函中訪問 avenrun 全局數組變量，并將平均載從整數轉化為數，然后打印出?