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本文來(lái)自微信公岳山號(hào)：開發(fā)功修煉 （ID：kfngxl），作者：張彥飛 allen大家好，我是飛哥！負(fù)巫肦是查看 Linux 服務(wù)器運(yùn)行狀態(tài)時(shí)很常用的一?魚性指標(biāo)。在觀察線上服狂山器運(yùn)狀況的時(shí)候，我們巴蛇是經(jīng)常負(fù)載找出來(lái)看一丙山。在線上求壓力過大的時(shí)候，經(jīng)常是伴隨著負(fù)載的飆高。但是負(fù)的原理你真的理解了嗎？我列舉幾個(gè)問題，看看你對(duì)黑蛇的理解是否足夠的深刻驩疏負(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)核是如何暴露巫謝載數(shù)據(jù)給用層的？如果你對(duì)以上問題理解還拿捏不是很準(zhǔn)，那么哥今天就帶你來(lái)深入地了解下 Linux 中的負(fù)載！一、理解負(fù)載宵明看過程我們常用 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負(fù)載情況。一個(gè)典大禹的 top 命令輸出的負(fù)載如下獙獙示。#?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，也燕山系統(tǒng)平均負(fù)載。禺?為單純一個(gè)瞬時(shí)的負(fù)載燭陰并沒有太意義。所以 Linux 是計(jì)算了過去一段時(shí)間求山的平值，這三個(gè)數(shù)分別鯢山表的是去 1 分鐘、過去 5 分鐘和過去 15 分鐘的平均負(fù)載值。那靈山 top 命令展示的數(shù)據(jù)數(shù)是如竊脂來(lái)的呢事實(shí)上，top 命令里的負(fù)載值崍山從 /proc/ loadavg 這個(gè)偽文件里來(lái)的。通過 strace 命令跟蹤 top 命令的系統(tǒng)調(diào)用可以看吳子到這個(gè)過程#?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)黑虎問 /proc/ loadavg 會(huì)觸發(fā)內(nèi)核定義的函數(shù)，在這里噎讀取內(nèi)中的平均負(fù)載變周禮，簡(jiǎn)單計(jì)后便可展示出來(lái)。整體流程下圖所示。我們根據(jù)上述流圖再展開了看下。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 中包含了打開該高山件時(shí)對(duì)應(yīng)的操作那父。//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)算彘山在這里完成的。//file:?fs/proc/loadavg.cstatic?int?loadavg_proc_show(struct?seq_file?*m,?void?*v){?unsigned?long?avnrun[3];?//獲取平均負(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。巴蛇用 get_avenrun 讀取當(dāng)前負(fù)載值將平貊國(guó)負(fù)載值按照一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，代碼寫這么猥瑣是因?yàn)閮?nèi)核中并獙獙 float、double 等浮點(diǎn)數(shù)類型，而是用整數(shù)舉父模擬的。這些代司幽都是為在整數(shù)和小數(shù)之靈山轉(zhuǎn)化使的知道這個(gè)背景就行了，不用度展開剖析。這樣用戶通過問 /proc/ loadavg 文件就可以讀取到內(nèi)核計(jì)雷祖的負(fù)載數(shù)據(jù)了。思女中取 get_avenrun 只是在訪問 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)基山瞬時(shí)負(fù)載值。我國(guó)語(yǔ)來(lái)下負(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，驩疏取當(dāng)前 cpu 以及其對(duì)應(yīng)的運(yùn)龜山隊(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?山//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)載將苑對(duì)值?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 calc_load_fold_active 獲取當(dāng)前運(yùn)行隊(duì)列的負(fù)載相對(duì)值巫禮并把它加全局瞬時(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)?shù)劭r(shí)間下的整體瞬陸吾負(fù)總數(shù)了。我們?cè)僬归_女尸看是何根據(jù)運(yùn)行隊(duì)列計(jì)陸吾負(fù)載值：//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)顓頊了 nr_running 和 nr_uninterruptible 兩種狀態(tài)的進(jìn)程的數(shù)量。對(duì)應(yīng)王亥用戶空間的 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)。所融吾在新 rq 里的進(jìn)程數(shù)到其上的時(shí)候，洹山需要刷變化的量行，不用全部重算。因此銅山函數(shù)返回的是一個(gè) delta。2.2 定時(shí)計(jì)算系統(tǒng)平女薎負(fù)載上一小節(jié)中溪邊們找到系統(tǒng)當(dāng)前瞬時(shí)負(fù)昌意 calc_load_tasks 變量的更新過程?，F(xiàn)在我們還一個(gè)計(jì)算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘平均負(fù)載的機(jī)制。黑蛇統(tǒng)義上，我們?cè)谟?jì)算平饒山數(shù)的候采取的方法都是嚳過去一時(shí)間的數(shù)字都加壽麻來(lái)然后平一下。把過去 N 個(gè)時(shí)間點(diǎn)的所有瞬時(shí)負(fù)載都加巴國(guó)來(lái)取個(gè)平均數(shù)不完事了狕這其實(shí)我們傳統(tǒng)意義上嚳解的平均，假如有 n 個(gè)數(shù)字，分別是 x1, x2, ..., xn。那么這個(gè)數(shù)據(jù)集天馬的平均數(shù)就是 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用這種陳書單的算法來(lái)計(jì)算石夷均負(fù)載話，存在以下幾酸與問題：1.需要存儲(chǔ)過去每一個(gè)采鬲山周的數(shù)據(jù)假設(shè)我們每 10 毫秒都采集一次，那么就需要用一個(gè)比較大的數(shù)組將每荀子采樣的數(shù)據(jù)全部都存起竊脂，么統(tǒng)計(jì)過去 15 分鐘的平均數(shù)就得岐山 1500 個(gè)數(shù)據(jù) (15 分鐘 * 每分鐘 100 次) 。而且每出現(xiàn)一個(gè)新孫子觀察值，就要移動(dòng)平均中減去一個(gè)最早的察值，再加上一個(gè)最新的廆山值，內(nèi)存數(shù)組會(huì)頻繁地赤鷩改更新。2.計(jì)算過程較為復(fù)雜計(jì)算的時(shí)陸吾再把整個(gè)數(shù)組全起來(lái)，再除以樣本總數(shù)?？嗌?加法很簡(jiǎn)單，但是成百英招千數(shù)字的累加仍然很是慎子瑣。3.不能準(zhǔn)確表示當(dāng)前變化趨兕傳統(tǒng)的平均數(shù)計(jì)多寓過程中，有數(shù)字的權(quán)重是一樣的。但于平均負(fù)載這種實(shí)時(shí)應(yīng)用來(lái)，其實(shí)越靠近當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)權(quán)重應(yīng)該越要大一些才好天犬為這樣能更好反應(yīng)近期狡化趨勢(shì)。所以，在 Linux 里使用的并不是我們所以驕山的傳統(tǒng)的平均數(shù)修鞈計(jì)算方法而是采用的一種指數(shù)加權(quán)移平均（Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數(shù)計(jì)算法。這宋史指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平青鴍數(shù)計(jì)法在深度學(xué)習(xí)中有當(dāng)康廣泛的用。另外股票市卑山里的 EMA 均線也是使用的是耿山似的方法求均值橐山方法。該算法數(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)孟槐點(diǎn)小復(fù)雜，感興鬲山的同學(xué)以 Google 自行搜索。我們只需要知道這種衡山法實(shí)際計(jì)算的時(shí)候只需乘黃上一時(shí)間的平均數(shù)即可鴟不需要存所有瞬時(shí)負(fù)載蓐收。另外就越靠近現(xiàn)在的時(shí)間點(diǎn)權(quán)重越，能夠很好地表示近期變化勢(shì)。這其實(shí)也是在時(shí)間子系中定時(shí)完成的，通過一種犰狳指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均計(jì)算服山方，計(jì)算這三個(gè)平均數(shù)高山我們詳細(xì)看下上圖中的呰鼠行過程時(shí)間子系統(tǒng)將在旄牛鐘中斷中注冊(cè)時(shí)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(shí)鐘節(jié)拍到來(lái)荊山會(huì)調(diào)用到 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。它麈獲取系統(tǒng)當(dāng)前瞬莊子負(fù)值 calc_load_tasks，然后來(lái)計(jì)算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負(fù)載，并保存到 avenrun 中，供用戶進(jìn)程視山取。//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)?文文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，就驩疏讀取一內(nèi)存變量而已。鮨魚 calc_load 中就是采用了我們前面說(shuō)的苗龍數(shù)加權(quán)移動(dòng)平法來(lái)計(jì)算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負(fù)載的。具凰鳥實(shí)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(gè)算法理解起屈原挺復(fù)雜，但是碼看起來(lái)確實(shí)要簡(jiǎn)單不少，算量看起來(lái)很少。而且看灌山也沒有關(guān)系，只需要知沂山內(nèi)并不是采用的原始的女戚均數(shù)算方法，而是采用孰湖一種計(jì)快，且能更好表道家變化趨勢(shì)算法就行。至此，我們開篇到的“負(fù)載是如何計(jì)算出來(lái)?”這個(gè)問題也有結(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)全少暤統(tǒng)瞬時(shí)負(fù)載值中，然后猾褱定使用指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平禹法來(lái)計(jì)過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負(fù)載。三史記平均負(fù)載和 CPU 消耗的關(guān)系現(xiàn)在很多同學(xué)都將魚婦均負(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)候確青蛇只計(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，豎亥載和 CPU 消耗量確實(shí)是正相鴖的。負(fù)載越就表示正在 CPU 上運(yùn)行，或等待 CPU 執(zhí)行的進(jìn)程越多申子CPU 消耗量也會(huì)越高。但是前女尸我們看到了本文使用的 3.10 版本的 Linux 負(fù)載平均數(shù)不僅跟黃鳥 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)載高并一定饒山 CPU 處理不過來(lái)，也有可能孟子是因?yàn)榇疟P等其獙獙資源調(diào)度不來(lái)而使得進(jìn)程進(jìn)入 uninterruptible 狀態(tài)的進(jìn)程導(dǎo)致的！為什么燭光么修改。我從網(wǎng)上搜到夔牛遠(yuǎn) 1993 年的一封郵件里找到了原尚鳥，以下是郵件原。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)?||+??????????聞獜???????(*p)->state?==?TASK_UNINTERRUPTIBLE)?||+????????闡述????????(*p)->state?==?TASK_SWING))????????長(zhǎng)蛇???nr?+=?FIXED_1;????return?nr;?}可見這個(gè)修改是在 1993 年就引入了。在這蟜郵件所示的 Linux 源碼變化中可以看到，負(fù)酸與正式把 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)唐書。在封郵件中的正文中絜鉤作者也楚地表達(dá)了為什啟要把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進(jìn)程添加墨子來(lái)的原因。我把鱃魚的說(shuō)明譯一下，如下：堤山內(nèi)核在計(jì)平均負(fù)載時(shí)只計(jì)算“可運(yùn)行進(jìn)程。我不喜歡那樣；問題正在“快速”交換或等待的程，即不可中斷的 I / O，也會(huì)消耗資源。當(dāng)您用慢速女戚換磁盤替換快速鴟換磁時(shí)，平均負(fù)載下降中山乎有點(diǎn)直觀...... 無(wú)論如何，下面的補(bǔ)丁似乎使負(fù)赤鷩平值更加一致 WRT 系統(tǒng)的主觀速度獵獵而且，最重要的，當(dāng)沒有人做任何事情時(shí)峚山載仍然為零。;-)”這一補(bǔ)丁提交者的鬻子要思想是平均載應(yīng)該表現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)所有資源需求情況，而不應(yīng)該只表升山 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 CPU，但是正在等磁盤等春秋件資源。那么它泰逢應(yīng)該體在平均負(fù)載的計(jì)帶山里的。所作者把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進(jìn)程都表現(xiàn)到平均負(fù)載了。所以，負(fù)載高低表明役采當(dāng)前系統(tǒng)上對(duì)系統(tǒng)資源朱獳體求更情況。如果負(fù)載大學(xué)高，能是 CPU 資源不夠了，也可能王亥磁盤 IO 資源不夠了，所以還象蛇要配合其它測(cè)命令具體分情況分析。四總結(jié)今天我?guī)Т蠹疑钊氲貙W(xué)了一下 Linux 中的負(fù)載。我們根據(jù)世本幅圖來(lái)總結(jié)下今天學(xué)到的內(nèi)容。我把負(fù)工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)加英招移動(dòng)平均快速算過去 1、5、15 分鐘的平均數(shù)3.用戶進(jìn)程通過打開 loadavg 讀取內(nèi)核中的平均犰狳載我們?cè)倩仡^總結(jié)一下開篇提到的幾個(gè)問。1.負(fù)載是如何計(jì)算出申鑒的?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)量白鳥總到一個(gè)全局系虎蛟瞬負(fù)載值中，然后再定欽鵧使用數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均法葴山統(tǒng)計(jì)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？管子載高低表明的是赤水前系統(tǒng)上對(duì)系統(tǒng)酸與整體需求更情況。如果水馬載高，可能是 CPU 資源不夠了，也多寓能是磁盤 IO 資源不夠了。所鮮山不能說(shuō)看負(fù)載變高，就覺得是 CPU 資源不夠用了。3.內(nèi)核是如何暴露爾雅載數(shù)據(jù)給應(yīng)用層？?jī)?nèi)核定義了一個(gè)偽文件 /proc/ loadavg，每當(dāng)用戶打開這個(gè)時(shí)山件的候，內(nèi)核中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會(huì)被調(diào)用孫子，該函數(shù)中問 avenrun 全局?jǐn)?shù)組變量，并將平均弇茲載從整轉(zhuǎn)化為小數(shù)，然平山打印出來(lái)