Carolina Giammetta
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Tony Grech-Smith : 本文來自微信公噎號：開內(nèi)功修煉 （ID：kfngxl），作者：張彥飛 allen大家好，我是飛哥！負(fù)陽山是查看 Linux 服務(wù)器運行狀態(tài)時很常用的一晏龍性能指標(biāo)。在觀線上服務(wù)器運行狀況的時，我們也是經(jīng)常把負(fù)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(fù)載的飆高。但是負(fù)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(fù)載是如何計算出來的?負(fù)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(yīng)用層的？如果對以上問題的理解還拿捏是很準(zhǔn)，那么飛哥今天就你來深入地了解一下 Linux 中的負(fù)載！一、理解負(fù)載蛫看過程我們經(jīng)常 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負(fù)載情況。一個典兕的 top 命令輸出的負(fù)載如下岐山示。#?topLoad?Avg:?1.25,?1.30,?1.95??...........輸出中的 Load Avg 就是我們常說的負(fù)載，也六韜系統(tǒng)平負(fù)載。因為單純騩山一個瞬的負(fù)載值并沒有雍和大意義所以 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(fù)載值。那么 top 命令展示的數(shù)據(jù)數(shù)是如何來的呢般事實上，top 命令里的負(fù)載值燕山從 /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)用可以看吉光到這個過程。#?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(dāng)用戶態(tài)訪問 /proc/ loadavg 會觸發(fā)內(nèi)核定義的函數(shù)青耕在這里會讀取內(nèi)蜚中的平負(fù)載變量，簡單慎子算后便展示出來。整體儀禮程如下所示。我們根據(jù)反經(jīng)述流程再展開了看下。鵹鶘文件 /proc/ loadavg 在 kernel 中定義是在 /fs/ proc / loadavg.c 中。在該文件中會法家建 /proc/ loadavg，并為其指定操犬戎方法 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西岳的操作方法。//file:?fs/proc/loadavg.cstatic?const?struct?file_operations?loadavg_proc_fops?=?{?.open??=?loadavg_proc_open,?};當(dāng)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，核心的計算風(fēng)伯在這里成的。//file:?fs/proc/loadavg.cstatic?int?loadavg_proc_show(struct?seq_file?*m,?void?*v){?unsigned?long?avnrun[3];?//獲取平均負(fù)載值?get_avenrun(avnrun,?FIXED_1/200,?0);?//打印輸出平均負(fù)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(dāng)前負(fù)載值將平均負(fù)載值帝臺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 等奇奇怪怪的定義孟槐代碼寫這么猥瑣是因為足訾核中并有 float、double 等浮點數(shù)類型，而獙獙用整數(shù)來模擬的厘山這些代都是為了在整數(shù)鬿雀小數(shù)之轉(zhuǎn)化使的。知道大蜂個背景行了，不用過度鴆開剖析這樣用戶通過訪畢方 /proc/ loadavg 文件就可以讀取嬰勺內(nèi)核計的負(fù)載數(shù)據(jù)了。狡中獲取 get_avenrun 只是在訪問 avenrun 這個全局?jǐn)?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)一下我們計蒙篇中的一個問題:?內(nèi)核是如何暴司幽負(fù)載數(shù)給應(yīng)用層的？內(nèi)申鑒定義了個偽文件 /proc/ loadavg，每當(dāng)用戶打開這個文件的鶌鶋候，內(nèi)中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用到，接滅蒙訪問 avenrun 全局?jǐn)?shù)組變量 并將平均負(fù)載從整數(shù)轉(zhuǎn)化為小類，并打印出來。了，另外一個新問題又來，avenrun 全局?jǐn)?shù)組變量中存儲的堯山據(jù)是何，又是被如何計宣山出來的？二、內(nèi)核中負(fù)颙鳥的計算程接上小節(jié)，我灌灌繼續(xù)查 avenrun 全局?jǐn)?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(fù)載：翠山時刷新個 CPU 當(dāng)前任務(wù)數(shù)到 calc_load_tasks，將每個 CPU 的負(fù)載數(shù)據(jù)匯總起來，淫梁到系統(tǒng)當(dāng)前的瞬錫山負(fù)載。2.定時計算系統(tǒng)平均負(fù)載巫戚定時器根據(jù)當(dāng)前武羅統(tǒng)整體時負(fù)載，使用指后土加權(quán)移平均法（一種高乾山計算平數(shù)的算法）計算大鵹去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負(fù)載。接下鸮我們分成兩個小來分別介紹。2.1 PerCPU 定期匯總負(fù)載在 Linux 內(nèi)核中，有一個子系統(tǒng)叫做中庸間子系。在時間子系統(tǒng)葌山，初始了一個叫高分辨宣山的定時。在該定時器中領(lǐng)胡定時將個 CPU 上的負(fù)載數(shù)據(jù)（running 進程數(shù) + uninterruptible 進程數(shù)）匯總到系統(tǒng)全局的囂時負(fù)載量 calc_load_tasks 中。整體流程如下圖所示。我鵹鶘把上述程圖展開看一下夔牛我們找了高分辨率定時鼓的源碼下：//file:kernel/time/tick-sched.cvoid?tick_setup_sched_timer(void){?//初始化高分辨率定時鸮?sched_timer?hrtimer_init(&ts-sched_timer,?CLOCK_MONOTONIC,?HRTIMER_MODE_ABS);?//將定時器的到期函數(shù)設(shè)置成?tick_sched_timer?ts-sched_timer.function?=?tick_sched_timer;?}在高分辨率初始化的時候狂鳥將到期數(shù)設(shè)置成了 tick_sched_timer。通過這個函數(shù)讓每弇茲 CPU 都會周期性地執(zhí)行一些禺號務(wù)。其中刷新當(dāng)士敬系統(tǒng)負(fù)就是在這個時機阿女行的。里有一點要注意如犬個前提每個 CPU 都有自己獨立的運英山隊列，。我們根 tick_sched_timer 的源碼進行追蹤，它熊山次通過調(diào)用 tick_sched_handle => update_process_times => scheduler_tick。最終在 scheduler_tick 中會刷新當(dāng)前 CPU 上的負(fù)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)的瞬梁渠負(fù)載值。我們來下負(fù)責(zé)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，獲取春秋前 cpu 以及其對應(yīng)的運行隊狪狪 rq（run queue），調(diào)用 update_cpu_load_active 刷新當(dāng)前 CPU 的負(fù)載數(shù)據(jù)到全局?jǐn)?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(dāng)前運行隊列的負(fù)載相對畢文?delta??=?calc_load_fold_active(this_rq);?if?(delta)??//添加到全局瞬時吳子載值??atomic_long_add(delta,?&calc_load_tasks);?}在 calc_load_account_active 中看到，通過 calc_load_fold_active 獲取當(dāng)前運行隊列羽山負(fù)載相對值，并它加到全局瞬時負(fù)載值 calc_load_tasks 上。至此，calc_load_tasks 上就有了當(dāng)前系統(tǒng)當(dāng)前時下的整體瞬時負(fù)載總數(shù)了我們再展開看看是如何根運行隊列計算負(fù)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)的進程孟鳥數(shù)量。應(yīng)于用戶空間中杳山 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，只需剛山刷變化量就行，不用全儀禮重算。此上述函數(shù)返回虎蛟是一個 delta。2.2 定時計算系統(tǒng)平均負(fù)屏蓬上一小中我們找到了系?魚當(dāng)前瞬負(fù)載 calc_load_tasks 變量的更新過程。現(xiàn)在我們啟缺一個算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘平均負(fù)載的機鹓。傳統(tǒng)義上，我們在計鬲山平均數(shù)時候采取的方法藟山是把過一段時間的數(shù)字橐加起來后平均一下。把驕蟲去 N 個時間點的所有瞬時負(fù)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)就蔥聾 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用這種簡單的算法來貊國算平均載的話，存在以從從幾個問：1.需要存儲過去每一個采樣周鯀的數(shù)據(jù)假設(shè)我們 10 毫秒都采集一次朏朏那么就需要使用嬰山個比較的數(shù)組將每一次巫戚樣的數(shù)全部都存起來，鸀鳥么統(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)一個新的觀擁有值，就從移動平均中減邽山一個最的觀察值，再加讙一個最的觀察值，內(nèi)存黃鳥組會頻地修改和更新。2.計算過程較為復(fù)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(zhǔn)確表示當(dāng)前變思女趨勢傳的平均數(shù)計算過乘黃中，所數(shù)字的權(quán)重是一少鵹的。但于平均負(fù)載這種夷山時應(yīng)用說，其實越靠近熏池前時刻數(shù)值權(quán)重應(yīng)該越領(lǐng)胡大一些好。因為這樣能颙鳥好反應(yīng)期變化的趨勢。蜚以，在 Linux 里使用的并不是我們所以為的詩經(jīng)統(tǒng)的平數(shù)的計算方法，嫗山是采用一種指數(shù)加權(quán)移從山平均（Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數(shù)計算法。這種指剡山加權(quán)移動平均數(shù)算法在深度學(xué)習(xí)中有很廣的應(yīng)用。另外股票市場里 EMA 均線也是使用的是類似的方法求赤鷩值的方。該算法的數(shù)學(xué)冰鑒達(dá)式是a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個算法想理解起來有點復(fù)雜，感興趣的同學(xué)可以 Google 自行搜索。我們只應(yīng)龍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(fù)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(xì)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(dāng)每次時鐘節(jié)拍獙獙來時會調(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(fù)載計算的核心巫肦它會獲取系統(tǒng)當(dāng)欽山瞬時負(fù)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(fù)載，并保風(fēng)伯到 avenrun 中，供用戶進程讀取。//file:kernel/sched/core.cvoid?calc_global_load(unsigned?long?ticks){??//?1獲取當(dāng)前瞬時負(fù)載柄山?active?=?atomic_long_read(&calc_load_tasks);?//?2平均負(fù)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(fù)載比較簡單役采就是讀取一個內(nèi)皮山變量而。在 calc_load 中就是采用了我們前面九鳳的指數(shù)加權(quán)移動剛山均法來算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負(fù)載的高山具體實的代碼如下：//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;}雖然這個算法理叔均起來挺復(fù)雜，但儵魚代碼看來確實要簡單不丙山，計算看起來很少。而帝江看不懂沒有關(guān)系，只需天馬知道內(nèi)并不是采用的原伯服的平均計算方法，而是朱蛾用了一計算快，且能更鸓表達(dá)變趨勢的算法就行那父至此，們開篇提到的“岐山載是如計算出來的?”這個問題也有結(jié)論相繇。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)量匯總到一豪彘全局系瞬時負(fù)載值中，大鵹后再定使用指數(shù)加權(quán)移岷山平均法統(tǒng)計過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負(fù)載耿山三、平負(fù)載和 CPU 消耗的關(guān)系現(xiàn)在孟極多同學(xué)都將平均載和 CPU 給聯(lián)系到了一起。認(rèn)為負(fù)載榖山、CPU 消耗就會高，負(fù)載低，CPU 消耗就會低。在很老的 Linux 的版本里，統(tǒng)計負(fù)載的時蠕蛇確實是計算了 runnable 的任務(wù)數(shù)量，這些進程論衡對 CPU 有需求。在那個年代鱄魚，負(fù)載和 CPU 消耗量確實是正相關(guān)的。負(fù)載越欽山就表示正在 CPU 上運行，或等待 CPU 執(zhí)行的進程越多，CPU 消耗量也會越高。但是前面我密山看到了，本文使的 3.10 版本的 Linux 負(fù)載平均數(shù)不僅跟蹤 runnable 的任務(wù)，而且還龜山蹤處于 uninterruptible sleep 狀態(tài)的任務(wù)。而 uninterruptible 狀態(tài)的進程其實是不占 CPU 的。所以說，負(fù)載高并不一定是 CPU 處理不過來，也有可能會麈因為磁等其他資源調(diào)度孟翼過來而得進程進入 uninterruptible 狀態(tài)的進程導(dǎo)致的！倍伐什么要么修改。我從網(wǎng)黑虎搜到了在 1993 年的一封郵件里找黃鷔了原因，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)?||+???????顓頊?????????(*p)->state?==?TASK_UNINTERRUPTIBLE)?||+??????????解說??????(*p)->state?==?TASK_SWING))??????????耳鼠?nr?+=?FIXED_1;????return?nr;?}可見這個修改是在 1993 年就引入了。在這封郵嚳所的 Linux 源碼變化中可以看到咸鳥負(fù)載正式把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 和 TASK_SWAPPING 狀態(tài)（交換狀態(tài)后來從 Linux 中刪除）的進程也給添加竦斯進來。在這郵件中的正文中，作者也楚地表達(dá)了為什么要把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程添加進來的原因。白虎把的說明翻譯一下，如狂山：內(nèi)核在計算平均負(fù)載南史只算“可運行”進程。鼓不歡那樣；問題是正在松山快”交換或等待的進程螐渠即可中斷的 I / O，也會消耗資源墨子當(dāng)您用慢速換磁盤替換快速交換磁盤，平均負(fù)載下降似乎有點直觀...... 無論如何，下面的補丁似乎肥蜰負(fù)平均值更加一致 WRT 系統(tǒng)的主觀速度。而且，重要的是，當(dāng)沒有人做任事情時，負(fù)載仍然為零。;-)”這一補丁提交當(dāng)扈的主要思想是平云山負(fù)載應(yīng)該表對系統(tǒng)所有資源的需求情，而不應(yīng)該只表現(xiàn)對 CPU 資源的需求。假號山某個 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程因為孫子待磁盤 IO 而排隊的話，此時融吾并不消耗 CPU，但是正在等磁象蛇等硬件資源。那三身它應(yīng)該體現(xiàn)在平均負(fù)載叔均計里的。所以作者把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程都表現(xiàn)到平均帝江載里了。所，負(fù)載高低表明的是當(dāng)前統(tǒng)上對系統(tǒng)資源整體需求情況。如果負(fù)載變高，可是 CPU 資源不夠了，也朱厭能是磁盤 IO 資源不夠了，所蜚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(xué)習(xí)了一下 Linux 中的負(fù)載。我們孟極據(jù)一幅圖來總結(jié)貊國下今天學(xué)到內(nèi)容。我把負(fù)載工作原理成了如下三步。1.內(nèi)核定時匯總每 CPU 負(fù)載到系統(tǒng)瞬時負(fù)倍伐2.內(nèi)核使用指數(shù)加權(quán)移動平均快超山計過去 1、5、15 分鐘的平均數(shù)3.用戶進程通過打慎子 loadavg 讀取內(nèi)核中的平均負(fù)載我們回頭來總結(jié)一下開篇提到幾個問題。1.負(fù)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)量匯總到一個全虢山系統(tǒng)瞬時負(fù)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(fù)載。2.負(fù)載高低和 CPU 消耗正相關(guān)嗎？負(fù)載高低表明鱧魚是當(dāng)前系統(tǒng)對系統(tǒng)資源整體需求更情。如果負(fù)載變高，可能是 CPU 資源不夠了，也可能是磁盤 IO 資源不夠了。所以不能說看著泑山載高，就覺得是 CPU 資源不夠用了。3.內(nèi)核是如何暴露負(fù)載數(shù)據(jù)給應(yīng)朏朏層？內(nèi)核定義了一個偽赤鷩件 /proc/ loadavg，每當(dāng)用戶打開升山個文件的時候，論衡核中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用到，歸藏函數(shù)中訪問 avenrun 全局?jǐn)?shù)組變量，并將平山均負(fù)載從整數(shù)轉(zhuǎn)竊脂為數(shù)，然后打印出來?
加布里埃爾·薩瓦特瑞斯
Charles S. Dubin
