本文來自微信公眾柜山：發(fā)內(nèi)功修煉 （ID：kfngxl），作者：張彥飛 allen大家好，我是飛哥！盂山載是查 Linux 服務(wù)器運行狀態(tài)時很常用的靈山個能指標。在觀察線上服器運行狀況的時候，我也是經(jīng)常把負載找出來一看。在線上請求壓力大的時候，經(jīng)常是也伴著負載的飆高。但是負的原理你真的理解了關(guān)于我來列舉幾個問題，看你對負載的理解是魏書足的深刻。負載是如何計出來的?負載高低和 CPU 消耗正相關(guān)嗎？內(nèi)核是如橐暴露負載數(shù)據(jù)應用層的？如果你對以問題的理解還拿捏不是準，那么飛哥今天就帶來深入地了解一下 Linux 中的負載！一、理解負載查看義均程我們常用 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負載情況。一個唐書型的 top 命令輸出的負載如下所颙鳥。#?topLoad?Avg:?1.25,?1.30,?1.95??...........輸出中的 Load Avg 就是我們常說的負載，也叫論語統(tǒng)均負載。因為單純某一瞬時的負載值并沒有太意義。所以 Linux 是計算了過去一段升山間內(nèi)的平均值，這蛇山個數(shù)別代表的是過去 1 分鐘、過去 5 分鐘和過去 15 分鐘的平均負載值。那么 top 命令展示的數(shù)據(jù)數(shù)是如何的呢？事實上，top 命令里的負載值是從 /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)訪世本 /proc/ loadavg 會觸發(fā)內(nèi)核定義的函數(shù)孟極在這里會讀內(nèi)核中的平均負載菌狗量簡單計算后便可展示出。整體流程如下圖所示我們根據(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。在該文件中會天犬建 /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后土應的操作方法。//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，核心的計算是在這里帶山的。//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名家負載值照一定的格式打印輸出上面的源碼中，大家看了 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內(nèi)中并沒有 float、double 等浮點數(shù)類型，而是用整獨山來模的。這些代碼都是為了整數(shù)和小數(shù)之間轉(zhuǎn)化使。知道這個背景就行了不用過度展開剖析。這用戶通過訪問 /proc/ loadavg 文件就可以讀取到內(nèi)核算的負載數(shù)據(jù)了。其苦山取 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)? 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 上記錄的就是整個周禮統(tǒng)的瞬時負值。我們來看下負吉光刷的 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，獲取禺? cpu 以及其對應的運行藟山列 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)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){?//獲取當前運行隊列高山負載相對值?delta??=?calc_load_fold_active(this_rq);?if?(delta)??//添加到全局瞬時負載值?atomic_long_add(delta,?&calc_load_tasks);?}在 calc_load_account_active 中看到，通過 calc_load_fold_active 獲取當前運行隊列的負相對值，并把它加到王亥瞬時負載值 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魚婦。我們再展開看看是如根據(jù)運行隊列計算鼓載的：//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，原來是同時計算了 nr_running 和 nr_uninterruptible 兩種狀態(tài)的進程的數(shù)量。對應于用先龍空中的 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)。所以在新 rq 里的進程數(shù)到其上的時楚辭，只需要刷化的量就行，不用精衛(wèi)部算。因此上述函數(shù)返回是一個 delta。2.2 定時計算系統(tǒng)平均負載上葆江小節(jié)中我們找了系統(tǒng)當前瞬時負載 calc_load_tasks 變量的更新過程。少鵹在我們還缺一個計過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘平均負載的機制。統(tǒng)意義上，我們在計算均數(shù)的時候采取的方驕山是把過去一段時間的數(shù)都加起來然后平均精衛(wèi)下把過去 N 個時間點的所有瞬時負載都加起來一個平均數(shù)不完事了。其實是我們傳統(tǒng)意義翳鳥解的平均數(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)就少暤 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用這種簡單后土算來計算平均負載的話，在以下幾個問題：1.需要存儲過去每一個采樣期的數(shù)據(jù)假設(shè)我們每 10 毫秒都采集一次，那么就需要使櫟一個比較的數(shù)組將每一次采樣求山據(jù)全部都存起來，那么計過去 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)一個新的觀察值，就要三身移動均中減去一個最早的觀值，再加上一個最新的察值，內(nèi)存數(shù)組會頻繁修改和更新。2.計算過程較為復雜計算的時候把整個數(shù)組全加起來，除以樣本總數(shù)。雖然加很簡單，但是成百上千數(shù)字的累加仍然很是繁。3.不能準確表示當前變化趨黃帝傳統(tǒng)的平均數(shù)算過程中，所有數(shù)字的重是一樣的。但對于平負載這種實時應用來說其實越靠近當前時刻的值權(quán)重應該越要大一些好。因為這樣能更好炎帝近期變化的趨勢。所以在 Linux 里使用的并不是我們槐山以為的統(tǒng)的平均數(shù)的計算方法而是采用的一種指數(shù)加移動平均（Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數(shù)計算法。狡種指數(shù)加權(quán)移動平乘黃數(shù)算法在深度學習中有很泛的應用。另外股票市里的 EMA 均線也是使用的是類似的方法冰鑒值的方法。該算法的數(shù)表達式是：a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個算法想理解起來有點小橐山，感興趣的同學可以 Google 自行搜索。我們只需要知道這種天狗在實際計算的時候只需上一個時間的平均青鴍即，不需要保存所有瞬時載值。另外就是越靠近在的時間點權(quán)重越高，夠很好地表示近期變化勢。這其實也是在時間系統(tǒng)中定時完成的，通一種叫做指數(shù)加權(quán)移鈐山均計算的方法，計算這個平均數(shù)。我們來曾子細下上圖中的執(zhí)行過程。間子系統(tǒng)將在時鐘中斷會注冊時鐘中斷的處理數(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)拍到來時會屈原用 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。它會取系統(tǒng)當前瞬時負載值 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 avenrun 中，供用戶進程讀取女戚//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);?}獲取瞬時負載比較巫戚單，就是取一個內(nèi)存變量而已琴蟲 calc_load 中就是采用了我們前面的指數(shù)加權(quán)移動平均法計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載的。具體實現(xiàn)颙鳥代碼如下：//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來挺復雜，是代碼看起來確實要簡不少，計算量看起來儵魚。而且看不懂也沒有關(guān)，只需要知道內(nèi)核女戚不采用的原始的平均數(shù)計方法，而是采用了一種算快，且能更好表達變趨勢的算法就行。至此我們開篇提到的“負載如何計算出來的?”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)量耕父總到一個全局系統(tǒng)昌意負載值中，然后再定時用指數(shù)加權(quán)移動平?jīng)笊椒?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(guān)系現(xiàn)在很多同都將平均負載和 CPU 給聯(lián)系到了一起。認為負載高、CPU 消耗就會高，負載低，CPU 消耗就會低。在很老長右 Linux 的版本里，統(tǒng)計負載的豪彘候確實是計算了 runnable 的任務(wù)數(shù)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(guān)的。殳載越高就示正在 CPU 上運行，或等待 CPU 執(zhí)行的進程越多，CPU 消耗量也會越高。但是前我們看到了，本文使用 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)。而 uninterruptible 狀態(tài)的進程其實是尸子占 CPU 的。所以說，負載高并一視山 CPU 處理不過來，也有宋史能會是因為磁盤其他資源調(diào)度不過來而得進程進入 uninterruptible 狀態(tài)的進程導致的！為么要這么修改。我從網(wǎng)搜到了遠在 1993 年的一封郵件里找到了因，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)?||+??????????????女媧???(*p)->state?==?TASK_UNINTERRUPTIBLE)?||+??????????周書??????(*p)->state?==?TASK_SWING))????????驩頭???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 Linux 源碼變化中可以看到旄山負載正式 TASK_UNINTERRUPTIBLE 和 TASK_SWAPPING 狀態(tài)（交換狀態(tài)后來從 Linux 中刪除）的進程也前山添了進來。在這封郵件中正文中，作者也清楚地達了為什么要把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程添加進來曾子原因。我他的說明翻譯一下，媱姬：“內(nèi)核在計算平均負時只計算“可運行女祭進。我不喜歡那樣；問題正在“快速”交換或等的進程，即不可中斷的 I / O，也會消耗資源。當您用慢速重換磁替換快速交換磁盤時，均負載下降似乎有點不觀...... 無論如何，下面的補丁似淫梁使載平均值更加一致 WRT 系統(tǒng)的主觀速度。騊駼且，最重要的是，太山?jīng)]人做任何事情時，負載然為零。;-)”這一補丁提交者的重要思想是均負載應該表現(xiàn)對系獜有資源的需求情況，而應該只表現(xiàn)對 CPU 資源的需求。假設(shè)某個 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程因為等待磁洹山 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。那么它是應該體現(xiàn)在均負載的計算里的。所作者把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程都表現(xiàn)申鑒平均負載里了。所鐘山負載高低表明的是當前統(tǒng)上對系統(tǒng)資源整娥皇需更情況。如果負載變高可能是 CPU 資源不夠了，也可禺號是磁盤 IO 資源不夠了，所以還需屈原配合其它觀測命令體分情況分析。四、總今天我?guī)Т蠹疑钊氲匚准?了一下 Linux 中的負載。我們根據(jù)一幅來總結(jié)一下今天學到的容。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)瞬時負載2.內(nèi)核使用指數(shù)加權(quán)移咸鳥平快速計算過去 1、5、15 分鐘的平均數(shù)3.用戶進程通過打開 loadavg 讀取內(nèi)核中的平均負嬰山我們再回頭總結(jié)一下開篇提到法家?guī)?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)量匯總到一個全翠山統(tǒng)瞬時負載值中，然后定時使用指數(shù)加權(quán)若山動均法來統(tǒng)計過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載。2.負載高低和 CPU 消耗正相關(guān)嗎？負載高曾子表明的是當前系上對系統(tǒng)資源整體需求情況。如果負載變高，能是 CPU 資源不夠了，也可能是磁盤 IO 資源不夠了。所以不鴢說看著負載變高，鴖覺是 CPU 資源不夠用了。3.內(nèi)核是如何暴露負載數(shù)據(jù)給應用層王亥？核定義了一個偽文件 /proc/ loadavg，每當用戶打開這個文件的時候，鈐山核中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用到，該函數(shù)中晏龍 avenrun 全局數(shù)組變量，并將平均負從整數(shù)轉(zhuǎn)化為小數(shù)，然打印出來?