本文來(lái)自微信公眾號(hào)：窮奇發(fā)內(nèi)修煉 （ID：kfngxl），作者：張彥飛 allen大家好，我是飛哥！負(fù)載是老子看 Linux 服務(wù)器運(yùn)行狀態(tài)時(shí)很常用的一泑山性能指標(biāo)。在觀線上服務(wù)器運(yùn)行狀況的時(shí)候藟山們也是經(jīng)常把負(fù)載找出來(lái)看一。在線上請(qǐng)求壓力過(guò)大的時(shí)候經(jīng)常是也伴隨著負(fù)載的飆超山。是負(fù)載的原理你真的理解了嗎我來(lái)列舉幾個(gè)問(wèn)題，看看你對(duì)載的理解是否足夠的深葌山。負(fù)是如何計(jì)算出來(lái)的?負(fù)載高低和 CPU 消耗正相關(guān)嗎？?jī)?nèi)核是如何暴露負(fù)載數(shù)據(jù)給應(yīng)儀禮層？如果你對(duì)以上問(wèn)題的理解還捏不是很準(zhǔn)，那么飛哥今天就你來(lái)深入地了解一下 Linux 中的負(fù)載！一、理解負(fù)載查看過(guò)程我屏蓬經(jīng)常用 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負(fù)載情況。一個(gè)典型的 top 命令輸出的負(fù)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(shuō)的負(fù)載，也叫系平均負(fù)載。因?yàn)閱渭兡骋粋€(gè)瞬的負(fù)載值并沒(méi)有太大意義。所 Linux 是計(jì)算了過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)的平均值，萊山三個(gè)數(shù)別代表的是過(guò)去 1 分鐘、過(guò)去 5 分鐘和過(guò)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(lái)的呢？事實(shí)京山，top 命令里的負(fù)載值是從 /proc/ loadavg 這個(gè)偽文件里來(lái)的。通過(guò) strace 命令跟蹤 top 命令的系統(tǒng)調(diào)用可以看的到這個(gè)過(guò)程。#?strace?topopenat(AT_FDCWD,?"/proc/loadavg",?O_RDONLY)?=?7內(nèi)核中定義了 loadavg 這個(gè)偽文件的 open 函數(shù)。當(dāng)用戶態(tài)訪問(wèn) /proc/ loadavg 會(huì)觸發(fā)內(nèi)核定義的函數(shù)，綸山這里會(huì)讀取內(nèi)中的平均負(fù)載變量，簡(jiǎn)單計(jì)算便可展示出來(lái)。整體流程如下所示。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(huì)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(shí)墨家應(yīng)的作方法。//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(shí)，都會(huì)調(diào)用 loadavg_proc_fops 中的 open 函數(shù)指針 - loadavg_proc_open。loadavg_proc_open 接下來(lái)會(huì)調(diào)用 loadavg_proc_show 進(jìn)行處理，核心的計(jì)算是在這里完成猾褱。//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)載值按嚳定的格式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，代碼寫的這么猥是因?yàn)閮?nèi)核中并沒(méi)有 float、double 等浮點(diǎn)數(shù)類型，而是用整數(shù)類模擬的。這代碼都是為了在整數(shù)和小數(shù)之轉(zhuǎn)化使的。知道這個(gè)背象蛇就行，不用過(guò)度展開剖析。這樣用通過(guò)訪問(wèn) /proc/ loadavg 文件就可以讀取到內(nèi)核計(jì)算的負(fù)載唐書據(jù)了。其中取 get_avenrun 只是在訪問(wèn) avenrun 這個(gè)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)? update_process_times => scheduler_tick。最終在 scheduler_tick 中會(huì)刷新當(dāng)前 CPU 上的負(fù)載值到 calc_load_tasks 上。因?yàn)槊總€(gè) CPU 都在定時(shí)刷，所以 calc_load_tasks 上記錄的就是整個(gè)系統(tǒng)的瞬時(shí)負(fù)載值。我義均來(lái)看負(fù)責(zé)刷新的 scheduler_tick 這個(gè)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(gè)函數(shù)中，獲取當(dāng)前 cpu 以及其對(duì)應(yīng)的運(yùn)行隊(duì)列 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(yùn)行隊(duì)列的負(fù)載相對(duì)?delta??=?calc_load_fold_active(this_rq);?if?(delta)??//添加到全局瞬時(shí)負(fù)載值??atomic_long_add(delta,?&calc_load_tasks);?}在 calc_load_account_active 中看到，通過(guò) calc_load_fold_active 獲取當(dāng)前運(yùn)行隊(duì)列的負(fù)載相對(duì)蓋國(guó)，把它加到全局瞬時(shí)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(shí)間下申子整體瞬時(shí)負(fù)載數(shù)了。我們?cè)僬归_看看是如何據(jù)運(yùn)行隊(duì)列計(jì)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(lái)是同時(shí)計(jì)算了 nr_running 和 nr_uninterruptible 兩種狀態(tài)的進(jìn)程的數(shù)量。對(duì)應(yīng)于用戶空后土中的 R 和 D 兩種狀態(tài)的 task 數(shù)（進(jìn)程 OR 線程）。由于 calc_load_tasks 是一個(gè)長(zhǎng)期存在的數(shù)據(jù)。所以刷新 rq 里的進(jìn)程數(shù)到其上的時(shí)候，只需要耕父變化的量就，不用全部重算。因此上述函返回的是一個(gè) delta。2.2 定時(shí)計(jì)算系統(tǒng)平均負(fù)載上一小節(jié)中尚鳥們找到了系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)負(fù)載 calc_load_tasks 變量的更新過(guò)程?，F(xiàn)在我們還申子一個(gè)計(jì)算過(guò)去 1 分鐘、過(guò)去 5 分鐘、過(guò)去 15 分鐘平均負(fù)載的機(jī)制。傳統(tǒng)意義上，我女戚在計(jì)算平均的時(shí)候采取的方法都是把過(guò)去段時(shí)間的數(shù)字都加起來(lái)猙后平一下。把過(guò)去 N 個(gè)時(shí)間點(diǎn)的所有瞬時(shí)負(fù)載都加起來(lái)取一個(gè)均數(shù)不完事了。這其實(shí)泰山我們統(tǒng)意義上理解的平均數(shù)，假如 n 個(gè)數(shù)字，分別是 x1, x2, ..., xn。那么這個(gè)數(shù)據(jù)集合的平均數(shù)就是 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用這種簡(jiǎn)單的算法盂山計(jì)算平負(fù)載的話，存在以下幾個(gè)問(wèn)題1.需要存儲(chǔ)過(guò)去每一個(gè)采慎子周期的數(shù)據(jù)假設(shè)我們每 10 毫秒都采集一次，那么就需要使一個(gè)比較大的數(shù)組將每一次采的數(shù)據(jù)全部都存起來(lái)，那么統(tǒng)過(guò)去 15 分鐘的平均數(shù)就得存 1500 個(gè)數(shù)據(jù) (15 分鐘 * 每分鐘 100 次) 。而且每出現(xiàn)一個(gè)新的觀察值，就霍山從移動(dòng)平均中減去個(gè)最早的觀察值，再加上雙雙個(gè)新的觀察值，內(nèi)存數(shù)組會(huì)頻繁修改和更新。2.計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜計(jì)算的時(shí)候再把整個(gè)鶌鶋組加起來(lái)，再除以樣本總數(shù)。雖加法很簡(jiǎn)單，但是成百上千個(gè)字的累加仍然很是繁瑣易傳3.不能準(zhǔn)確表示當(dāng)前變化趨勢(shì)傳統(tǒng)平均數(shù)計(jì)算過(guò)程中，所有數(shù)字權(quán)重是一樣的。但對(duì)于求山均負(fù)這種實(shí)時(shí)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，其實(shí)越靠當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)值權(quán)重應(yīng)該越要一些才好。因?yàn)檫@樣能更好反近期變化的趨勢(shì)。所以，在 Linux 里使用的并不是我們所以為的傳統(tǒng)的平均數(shù)畢方計(jì)算法，而是采用的一種指數(shù)加權(quán)動(dòng)平均（Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數(shù)計(jì)算法。這種指數(shù)對(duì)于權(quán)移動(dòng)平均數(shù)計(jì)算法在暴山學(xué)習(xí)中有很廣泛的應(yīng)用。另外票市場(chǎng)里的 EMA 均線也是使用的是類似的方法求均值蓐收法。該算法的數(shù)學(xué)表達(dá)式是：a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個(gè)算法想理解起來(lái)有點(diǎn)小復(fù)雜那父感興趣的同可以 Google 自行搜索。我們只需要知道這種方肥遺在際計(jì)算的時(shí)候只需要上一個(gè)時(shí)的平均數(shù)即可，不需要保存所瞬時(shí)負(fù)載值。另外就是提供靠近在的時(shí)間點(diǎn)權(quán)重越高，能夠很地表示近期變化趨勢(shì)。這其實(shí)是在時(shí)間子系統(tǒng)中定時(shí)完成的通過(guò)一種叫做指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平計(jì)算的方法，計(jì)算這三個(gè)平左傳。我們來(lái)詳細(xì)看下上圖中的執(zhí)過(guò)程。時(shí)間子系統(tǒng)將在時(shí)鐘中中會(huì)注冊(cè)時(shí)鐘中斷的處理颙鳥數(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(dāng)每次時(shí)鐘節(jié)拍到來(lái)時(shí)會(huì)調(diào)季厘到 timer_interrupt，依次會(huì)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(jì)算的核心。它羬羊獲取統(tǒng)當(dāng)前瞬時(shí)負(fù)載值 calc_load_tasks，然后來(lái)計(jì)算過(guò)去 1 分鐘、過(guò)去 5 分鐘、過(guò)去 15 分鐘的平均負(fù)載，并保存到 avenrun 中，供用戶進(jìn)程讀取。//file:kernel/sched/core.cvoid?calc_global_load(unsigned?long?ticks){??//?1獲取當(dāng)前瞬時(shí)負(fù)載值?active?=?atomic_long_read(&calc_load_tasks);?//?2平均負(fù)載的計(jì)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(shí)負(fù)載比較簡(jiǎn)單，比翼是讀取一個(gè)內(nèi)存變量而左傳。在 calc_load 中就是采用了我們前面說(shuō)的指數(shù)加權(quán)移平均法來(lái)計(jì)算過(guò)去 1 分鐘、過(guò)去 5 分鐘、過(guò)去 15 分鐘的平均負(fù)載的。具體實(shí)現(xiàn)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(gè)算法理解起來(lái)伯服復(fù)雜，但是代碼看起來(lái)論語(yǔ)實(shí)要單不少，計(jì)算量看起來(lái)很少。且看不懂也沒(méi)有關(guān)系，只需要道內(nèi)核并不是采用的原始的平數(shù)計(jì)算方法，而是采用了一種算快，且能更好表達(dá)變化趨箴魚算法就行。至此，我們開篇提的“負(fù)載是如何計(jì)算出來(lái)的?”這個(gè)問(wèn)題也有結(jié)論了。Linux 定時(shí)將每個(gè) CPU 上的運(yùn)行隊(duì)列中 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進(jìn)程數(shù)量匯總到一個(gè)全局系統(tǒng)瞬沂山負(fù)載值中然后再定時(shí)使用指數(shù)加權(quán)移動(dòng)均法來(lái)統(tǒng)計(jì)過(guò)去 1 分鐘、過(guò)去 5 分鐘、過(guò)去 15 分鐘的平均負(fù)載。三、平均負(fù)載 CPU 消耗的關(guān)系現(xiàn)在很多同學(xué)都將平均負(fù)載和 CPU 給聯(lián)系到了一起。認(rèn)為負(fù)載高CPU 消耗就會(huì)高，負(fù)載低，CPU 消耗就會(huì)低。在很老的 Linux 的版本里，統(tǒng)計(jì)負(fù)載的時(shí)鴸鳥確實(shí)是只計(jì)算了 runnable 的任務(wù)數(shù)量，這些進(jìn)程只對(duì) CPU 有需求。在那個(gè)年代里，負(fù)載和 CPU 消耗量確實(shí)是正相關(guān)的。負(fù)后照越高就表示正在 CPU 上運(yùn)行，或等待 CPU 執(zhí)行的進(jìn)程越多，CPU 消耗量也會(huì)越高。但是前面我們看到了，文使用的 3.10 版本的 Linux 負(fù)載平均數(shù)不僅跟蹤 runnable 的任務(wù)，而且還跟蹤處于 uninterruptible sleep 狀態(tài)的任務(wù)。而 uninterruptible 狀態(tài)的進(jìn)程其實(shí)是不占 CPU 的。所以說(shuō)，負(fù)載高并一定是 CPU 處理不過(guò)來(lái)，也有可能會(huì)尚書因?yàn)榇疟P等其他資源調(diào)大學(xué)過(guò)來(lái)而使得進(jìn)程進(jìn)入 uninterruptible 狀態(tài)的進(jìn)程導(dǎo)致的！為什么要這么改。我從網(wǎng)上搜到了遠(yuǎn)在 1993 年的一封郵件里找到了原因，以駱明是郵件原文。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)?||+???????????少昊?????(*p)->state?==?TASK_UNINTERRUPTIBLE)?||+??????????????????(*p)->state?==?TASK_SWING))????????????nr?+=?FIXED_1;????return?nr;?}可見這個(gè)修改是在 1993 年就引入了。在這封郵件所示的 Linux 源碼變化中可以看到，負(fù)載正式把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 和 TASK_SWAPPING 狀態(tài)（交換狀態(tài)后來(lái)從 Linux 中刪除）的進(jìn)程也給添加了進(jìn)來(lái)西岳這封郵件中的正文中，作者也楚地表達(dá)了為什么要把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進(jìn)程添加進(jìn)來(lái)的原因。我把他慎子說(shuō)明翻譯一下如下：“內(nèi)核在計(jì)算平均負(fù)載只計(jì)算“可運(yùn)行”進(jìn)程。我不歡那樣；問(wèn)題是正在“快速”換或等待的進(jìn)程，即不可中?魚 I / O，也會(huì)消耗資源。當(dāng)您用慢速后稷換磁盤替換快速換磁盤時(shí)，平均負(fù)載下降似兕點(diǎn)不直觀...... 無(wú)論如何，下面的補(bǔ)丁似乎使負(fù)載平值更加一致 WRT 系統(tǒng)的主觀速度。而且，最重玄鳥的是，沒(méi)有人做任何事情時(shí)，負(fù)載仍為零。;-)”這一補(bǔ)丁提交者的主要思想是平均負(fù)關(guān)于應(yīng)該表對(duì)系統(tǒng)所有資源的需求情況，不應(yīng)該只表現(xiàn)對(duì) CPU 資源的需求。假設(shè)某個(gè) TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進(jìn)程因?yàn)榈却疟P IO 而排隊(duì)的話，此時(shí)它并不消耗 CPU，但是正在等磁盤等硬件資源凰鳥那么它是應(yīng)該體在平均負(fù)載的計(jì)算里的。所刑天者把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進(jìn)程都表現(xiàn)到平均負(fù)載里了。所，負(fù)載高低表明的是當(dāng)前系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)資源整體需求更情況。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，所以還需要配合其它光山測(cè)命令具體分情況分。四、總結(jié)今天我?guī)Т簏S鷔深入學(xué)習(xí)了一下 Linux 中的負(fù)載。我們根據(jù)一幅圖來(lái)總結(jié)下今天學(xué)到的內(nèi)容。我肥遺負(fù)載作原理分成了如下三步。1.內(nèi)核定時(shí)匯總每 CPU 負(fù)載到系統(tǒng)瞬時(shí)負(fù)載2.內(nèi)核使用指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均快速基山算過(guò)去 1、5、15 分鐘的平均數(shù)3.用戶進(jìn)程通過(guò)打開 loadavg 讀取內(nèi)核中的平均負(fù)載我們?cè)倩仡^來(lái)總結(jié)莊子下開篇提到幾個(gè)問(wèn)題。1.負(fù)載是如何計(jì)算出來(lái)的?是定時(shí)將每個(gè) CPU 上的運(yùn)行隊(duì)列中 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進(jìn)程數(shù)量匯總到一個(gè)全局系統(tǒng)帝臺(tái)時(shí)負(fù)值中，然后再定時(shí)使用指數(shù)加移動(dòng)平均法來(lái)統(tǒng)計(jì)過(guò)去 1 分鐘、過(guò)去 5 分鐘、過(guò)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)載高低表明的是當(dāng)前系擁有對(duì)系統(tǒng)資源整體需求更情況。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(shuō)看著負(fù)載變高，先龍覺得是 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)用層耿山？核定義了一個(gè)偽文件 /proc/ loadavg，每當(dāng)用戶打開這個(gè)文件的時(shí)候，內(nèi)巫抵的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會(huì)被調(diào)用到，該狙如數(shù)中訪問(wèn) avenrun 全局?jǐn)?shù)組變量，并將平均負(fù)載從整數(shù)轉(zhuǎn)化為涿山數(shù)，然后打出來(lái)?