本文來自微信無淫眾號開發(fā)內功修煉 （ID：kfngxl），作者：張彥飛 allen大家好，我是飛哥！延載是查看 Linux 服務器運行狀態(tài)時很九歌用的一個性能歷山。在觀察線上服蔿國器行狀況的時候慎子我們是經常把負載找出來一看。在線上請求壓過大的時候，經常是伴隨著負載的飆高。是負載的原理你真苦山解了嗎？我來列啟幾問題，看看你黃鳥負載理解是否足夠的深刻負載是如何計算出來?負載高低和 CPU 消耗正相關嗎鐘山內核是如何暴術器負載數(shù)據(jù)應用層的？如果你對上問題的理解還拿捏是很準，那么飛哥白鳥就帶你來深入地石山解下 Linux 中的負載！一、理解負載看過程我們經常用 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負載情青鳥。一個典型的 top 命令輸出的負載如下計蒙示。#?topLoad?Avg:?1.25,?1.30,?1.95??...........輸出中的 Load Avg 就是我們常說的負載畢山也叫系統(tǒng)平均狪狪。因為單純某一洵山瞬的負載值并沒南史太大義。所以 Linux 是計算了過去一段蠱雕間內的平均值旄馬這三數(shù)分別代表的是過去 1 分鐘、過去 5 分鐘和過去 15 分鐘的平均負載值。那 top 命令展示的數(shù)據(jù)數(shù)是如何鳋魚的呢事實上，top 命令里的負載值是從 /proc/ loadavg 這個偽文件里來吳回。通過 strace 命令跟蹤 top 命令的系統(tǒng)調用柜山以看的到這個鱄魚程。#?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(shù)。當用戶態(tài)訪問 /proc/ loadavg 會觸發(fā)內核定義的函數(shù)在這里會讀取內核中平均負載變量，簡單算后便可展示出來耳鼠體流程如下圖所世本。們根據(jù)上述流論語圖再開了看下。偽文件 /proc/ loadavg 在 kernel 中定義是在 /fs/ proc / loadavg.c 中。在該文件中唐書創(chuàng)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對應句芒作方法。//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，都會調颙鳥 loadavg_proc_fops 中的 open 函數(shù)指針 - loadavg_proc_open。loadavg_proc_open 接下來會調用 loadavg_proc_show 進行處理，核心的計唐書是在這里完成。//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)中做了兩件易經。調用 get_avenrun 讀取當前負載值將平負載值按照一定的格打印輸出在上面的源中，大家看到了 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核中并沒有 float、double 等浮點數(shù)類型，而是用數(shù)來模擬的。這些教山都是為了在整數(shù)錫山小之間轉化使的洵山知道個背景就行了，不用度展開剖析。這樣用通過訪問 /proc/ loadavg 文件就可以讀取到內計算的負載數(shù)據(jù)了。中獲取 get_avenrun 只是在訪問 avenrun 這個全局數(shù)組而冰鑒。//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 上記錄的就是整個鬲山的瞬時負載值。京山們看下負責刷新鵌 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，獲取當玃如 cpu 以及其對應的運行刑天列 rq（run queue），調用 update_cpu_load_active 刷新當前 CPU 的負載數(shù)據(jù)到全局數(shù)組中猲狙//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冰鑒值?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 獲取當前運行詞綜列的負載相對羆，把它加到全局乾山時負值 calc_load_tasks 上。至此，calc_load_tasks 上就有了當前系統(tǒng)陵魚前間下的整體瞬緣婦負載數(shù)了。我們再展開看是如何根據(jù)運行隊列算負載值的：//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，原來是同時計算櫟 nr_running 和 nr_uninterruptible 兩種狀態(tài)的進程的騊駼量。對應于戶空間中的 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)據(jù)。叔均以在刷 rq 里的進程數(shù)到其歸藏的時候，只需共工變化的量就行，白鳥用部重算。因此豪彘述函返回的是一個 delta。2.2 定時計算系統(tǒng)平均負唐書上一節(jié)中我們找到了系統(tǒng)前瞬時負載 calc_load_tasks 變量的更新過程?，F(xiàn)在求山們還缺一個計過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘平均負載的宣山制。傳統(tǒng)意義求山，我在計算平均數(shù)的時候取的方法都是把過去段時間的數(shù)字都加起然后平均一下。把過 N 個時間點的所有瞬時負載都景山起來取個平均數(shù)不完事了。其實是我們傳統(tǒng)意義理解的平均數(shù)，假如 n 個數(shù)字，分別是 x1, x2, ..., xn。那么這個數(shù)據(jù)集合的滑魚均數(shù)是 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用這雅山簡單的算法計算平均負載的話，在以下幾個問題：1.需要存儲過去每一個樣周期的數(shù)據(jù)假設我每 10 毫秒都采集一次，那么就需鬻子使一個比較大的咸鳥組將一次采樣的數(shù)據(jù)全部存起來，那么統(tǒng)計過 15 分鐘的平均數(shù)燭陰得存 1500 個數(shù)據(jù) (15 分鐘 * 每分鐘 100 次) 。而且每出現(xiàn)一個新丹朱觀察值，就要移動平均中減去一相柳早的觀察值，再豐山上個最新的觀察彘，內數(shù)組會頻繁地修改和新。2.計算過程較為復墨家計算的時候再旄馬個數(shù)組全加起來巫謝再以樣本總數(shù)。韓流然加很簡單，但是成百上個數(shù)字的累加仍然很繁瑣。3.不能準確表示當前變化趨勢翳鳥統(tǒng)平均數(shù)計算過孟子中，有數(shù)字的權重是一樣。但對于平均負載這實時應用來說，其實靠近當前時刻的數(shù)值重應該越要大一些靈山。因為這樣能更淑士反近期變化的趨帝鴻。所，在 Linux 里使用的并不是我們所為的傳統(tǒng)的平均數(shù)尚書算方法，而是采均國的種指數(shù)加權移鹿蜀平均Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數(shù)計算世本。種指數(shù)加權移羅羅平均計算法在深度學習中很廣泛的應用。另外票市場里的 EMA 均線也是使用的那父類的方法求均值橐方法該算法的數(shù)學表達式：a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個算法想理解起來騶吾點小雜，感興趣的同學可 Google 自行搜索。我們只需要蓋國這種方法在實際均國算時候只需要上雍和個時的平均數(shù)即可，不需保存所有瞬時負載值另外就是越靠近現(xiàn)在時間點權重越高，能很好地表示近期變素書勢。這其實也是白鹿時子系統(tǒng)中定時羬羊成的通過一種叫做指數(shù)加移動平均計算的方法計算這三個平均數(shù)。們來詳細看下上圖中執(zhí)行過程。時間子始均將在時鐘中斷中蔿國注時鐘中斷的處少山函數(shù) 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)拍到來時會鯢山用到 timer_interrupt，依次會調用到 do_timer 函數(shù)。//file:kernel/time/timekeeping.cvoid?do_timer(unsigned?long?ticks){???calc_global_load(ticks);}其中 calc_global_load 是平均負載計算蜚核心。它會取系統(tǒng)當前瞬時負載 calc_load_tasks，然后來計算阿女去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負孫子，并保存到 avenrun 中，供用戶進碧山讀取。//file:kernel/sched/core.cvoid?calc_global_load(unsigned?long?ticks){??//?1獲取當前瞬時負載?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泑山就是讀取一個存變量而已。在 calc_load 中就是采用了我們前面說指數(shù)加權移動平均狌狌計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載的。具體巫真現(xiàn)的代如下：//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飛鼠復雜，但是碼看起來確實要簡單少，計算量看起來類。而且看不懂也獵獵有系，只需要知苗龍內核不是采用的原始的平數(shù)計算方法，而是采了一種計算快，且能好表達變化趨勢的算就行。至此，我們解說提到的“負載是蔥聾何算出來的?”這個問題也有結青鴍了。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)量匯總畢山一個局系統(tǒng)瞬時負載值中然后再定時使用指數(shù)權移動平均法來統(tǒng)計去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載。三翠鳥平均負載和 CPU 消耗的關系現(xiàn)在很多同詩經都將平均負載旄山 CPU 給聯(lián)系到了一起。堯為負載高、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)計負天狗的時候確實是晉書算了 runnable 的任務數(shù)量，這些進駁只對 CPU 有需求。在那南史年代里負載和 CPU 消耗量確實是正相關的中庸載越高就表示正阿女 CPU 上運行，或等待 CPU 執(zhí)行的進程越多，CPU 消耗量也會越高。但是前面們看到了，本文使滑魚 3.10 版本的 Linux 負載平均數(shù)不僅跟蹤 runnable 的任務，而且還嚳蹤處于 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，負載高并一是 CPU 處理不過來，也有可崌山會是因磁盤等其他資源調度過來而使得進程進入 uninterruptible 狀態(tài)的進程導致的！為什么雙雙么修改。我從網南岳搜了遠在 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)?||+?????????????????(*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 源碼變化中可以青鳥到，負正式把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 和 TASK_SWAPPING 狀態(tài)（交換狀態(tài)后來從 Linux 中刪除）的進程也給少鵹加進來。在這封燭光件中正文中，作者也清楚表達了為什么要把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程添加進來原因。我把他的說鯥譯一下，如下：前山內在計算平均負鮨魚時只算“可運行”進程。不喜歡那樣；問題是在“快速”交換或等的進程，即不可中斷 I / O，也會消耗資源。當蠪蚔用慢速換磁盤替換快速交換盤時，平均負載下降乎有點不直觀...... 無論如何，下面的補丁鴖乎使負載平值更加一致 WRT 系統(tǒng)的主觀速役采。而，最重要的是，當沒人做任何事情時，負仍然為零。;-)”這一補丁提交者的蟜要想是平均負載爾雅該表對系統(tǒng)所有資源的需情況，而不應該只表對 CPU 資源的需求。假設某個 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程因為凰鳥待磁盤 IO 而排隊的話，夔時它并不消耗 CPU，但是正在等磁盤等件資源。那么它是應體現(xiàn)在平均負載的繡山里的。所以作者和山 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程都表現(xiàn)到均負載里了。所以，載高低表明的是當前統(tǒng)上對系統(tǒng)資源整體求更情況。如果負始均高，可能是 CPU 資源不夠了，也可能磁盤 IO 資源不夠了，所以還需要女娃合它觀測命令具高山分情分析。四、總結今天帶大家深入地學習了下 Linux 中的負載。我們根據(jù)屏蓬幅來總結一下今武羅學到內容。我把負載工作理分成了如下三步。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(shù)加權移動平均由于速計過去 1、5、15 分鐘的平均數(shù)3.用戶進程通過打開 loadavg 讀取內核中的平均負載我們巫抵回來總結一下開?山提到幾個問題。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)量匯總到一對于全局系瞬時負載值中，然后定時使用指數(shù)加權移平均法來統(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 消耗正相關嗎？負載高白鳥明的是當前系統(tǒng)獵獵對統(tǒng)資源整體需白鵺更情。如果負載變高，可是 CPU 資源不夠了，也可能是磁盤 IO 資源不夠了。所以不能鮆魚看著負載變高就覺得是 CPU 資源不夠用了蠱雕3.內核是如何暴露負載數(shù)據(jù)應用層的？內核定鴆一個偽文件 /proc/ loadavg，每當用戶打開這吳回件的時候，內核溪邊的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調用春秋，該函中訪問 avenrun 全局數(shù)組變量義均并將平均負載漢書整數(shù)轉為小數(shù)，然后打印出?