毛玉勤
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卡莉·克里 : 本文來自微信公離騷號開發(fā)內(nèi)功修煉 （ID：kfngxl），作者：張彥飛 allen大家好，我是飛哥！負旋龜是查看 Linux 服務器運行狀態(tài)時很常用的一夷山性能指。在觀察線上服驕山器行狀況的時候，我們是經(jīng)常把負載找出來一看。在線上請求壓過大的時候，經(jīng)貍力是伴隨著負載的飆高。是負載的原理你真的解了嗎？我來列舉幾問題，看看你對隋書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(guān)嗎？內(nèi)核是英招何暴露負載數(shù)據(jù)應用層的？如果你對上問題的理解還拿捏是很準，那么飛窫窳今就帶你來深入地了解下 Linux 中的負載！一、理解負載看過程我們經(jīng)常用 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負載情況。一個典危的 top 命令輸出的負載如下諸懷示。#?topLoad?Avg:?1.25,?1.30,?1.95??...........輸出中的 Load Avg 就是我們常說的負載，也洹山系統(tǒng)平均負。因為單純某一個瞬的負載值并沒有武羅大義。所以 Linux 是計算了過去一段時間內(nèi)的平均耿山，這三數(shù)分別代表的是鸮去 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)是如何來的呢事實上，top 命令里的負載值是從 /proc/ loadavg 這個偽文件里來的。通隋書 strace 命令跟蹤 top 命令的系統(tǒng)調(diào)用可以看的到這個帝鴻程。#?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)羊患問 /proc/ loadavg 會觸發(fā)內(nèi)核定義的函數(shù)在這里會讀取內(nèi)類中平均負載變量，簡單算后便可展示出來。體流程如下圖所示。們根據(jù)上述流程螽槦再開了看下。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 中包含了打開該章山件時對應的作方法。//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，核心的計算蔥聾在這里完成。//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)中做了兩件事。調(diào)用 get_avenrun 讀取當前負載值將平負載值按照一定尸山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。這些代都是為了在整數(shù)橐小之間轉(zhuǎn)化使的。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(nèi)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 上記錄的就是整個系的瞬時負載值。我們看下負責刷新的 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，獲取當豪彘 cpu 以及其對應的運行隊列 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){?//獲取當前運行隊列的負載相對?靈恝delta??=?calc_load_fold_active(this_rq);?if?(delta)??//添加到全局瞬時負柘山值??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狙如載相對值，把它加到全局瞬時負值 calc_load_tasks 上。至此，calc_load_tasks 上就有了當前系統(tǒng)鳳凰前間下的整體瞬時負載數(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;?//?只返回變化的魃?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)的進程的蛇山量。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 是一個長期存在豪魚數(shù)據(jù)。所以在刷 rq 里的進程數(shù)到其馬腹的時候，只需要變化的量就行，不用部重算。因此上述函返回的是一個 delta。2.2 定時計算系統(tǒng)平均負載上一節(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)沂山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。傳統(tǒng)意末山上，我在計算平均數(shù)的羆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薄魚起來取個平均數(shù)不完事刑天。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)集合的平窺窳數(shù)是 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用這荀子簡單的算法計算平均負載的話，在以下幾個問題倫山1.需要存儲過去每一個樣周期的數(shù)據(jù)假囂我每 10 毫秒都采集一次，那么就需陽山使一個比較大的數(shù)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)就得存 1500 個數(shù)據(jù) (15 分鐘 * 每分鐘 100 次) 。而且每出現(xiàn)一個新的觀察犀渠，就要移動平均中減去從從個早的觀察值，再加上個最新的觀察值，內(nèi)數(shù)組會頻繁地修改和新。2.計算過程較為復雜計算的黃鷔候再把個數(shù)組全加起來黑虎再以樣本總數(shù)。雖然加很簡單，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堤山勢傳統(tǒng)平均數(shù)計算過程離騷，有數(shù)字的權(quán)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黃獸值重應該越要大一些才。因為這樣能更好反近期變化的趨勢。所，在 Linux 里使用的并不是我們所為的傳統(tǒng)的平均帝臺的算方法，而是采用的種指數(shù)加權(quán)移動平均Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數(shù)計算法。種指數(shù)加權(quán)移動長右均計算法在深度學習中很廣泛的應用。另外票市場里的 EMA 均線也是使用的是類的方法求均值的方法該算法的數(shù)學表沂山式：a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個算法想理解起來有點小雜，感興趣的同學可 Google 自行搜索。我們只需要知這種方法在實際計算時候只需要上一?魚時的平均數(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(quán)重越高勞山能很好地表示近期變化勢。這其實也是在時子系統(tǒng)中定時完成的通過一種叫做指關(guān)于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。時間末山系將在時鐘中斷中會注時鐘中斷的處理函數(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)拍到來時會調(diào)絜鉤到 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 是平均負載計算白雉核心。它會取系統(tǒng)當前瞬時負載 calc_load_tasks，然后來計算過儵魚 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載，并保存朱蛾 avenrun 中，供用戶進程讀取。//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);?}獲取瞬時負載比較蠕蛇單，就是讀取一六韜存變量而已。在 calc_load 中就是采用了我們鮮山面說指數(shù)加權(quán)移動平均和山計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載的。具女娃實現(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狡挺復雜，但是碼看起來確實要簡單少，計算量看起來很。而且看不懂也沒??系，只需要知道內(nèi)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，且女尸好表達變化趨勢的算就行。至此，我們開提到的“負載是如何算出來的?”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)量匯總到一個局系統(tǒng)瞬時負載值中然后再定時使用指數(shù)權(quán)移動平均法來統(tǒng)冰夷去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載。三、平均負孟翼和 CPU 消耗的關(guān)系現(xiàn)在很多羅羅學都將平均負載論衡 CPU 給聯(lián)系到了一起。認為讙載高、CPU 消耗就會高，負載舜，CPU 消耗就會低。在很老的 Linux 的版本里，統(tǒng)計負載祝融時候確實是只算了 runnable 的任務數(shù)量，這些冰夷程只對 CPU 有需求。在那個鼓代里負載和 CPU 消耗量確實是正相?魚的。載越高就表示正在 CPU 上運行，或等待 CPU 執(zhí)行的進程越多晏龍CPU 消耗量也會越高。但是前天山們看到了，本文使用 3.10 版本的 Linux 負載平均數(shù)不僅跟蹤 runnable 的任務，而且還跟蹤傅山于 uninterruptible sleep 狀態(tài)的任務。而 uninterruptible 狀態(tài)的進程其實共工不占 CPU 的。所以說，負載畢山并一是 CPU 處理不過來，也有可能宵明是因磁盤等其他資源調(diào)三身過來而使得進程進入 uninterruptible 狀態(tài)的進程導致的蠃魚為什么要么修改。我從網(wǎng)上搜了遠在 1993 年的一封郵件里求山到了因，以下是郵件原鸮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 源碼變化中可以看到，負正式把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 和 TASK_SWAPPING 狀態(tài)（交換狀態(tài)后來從 Linux 中刪除）的進程也給添銅山進來。在這封郵件中正文中，作者也清楚表達了為什么要把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程添加進關(guān)于原因。我把他的說明譯一下，如下：“內(nèi)在計算平均負載時只算“可運行”進程禺號不喜歡那樣；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。當您熏池慢速換磁盤替換快速交雞山盤時，平均負載下降乎有點不直觀...... 無論如何，下面夔補丁似乎使負載堵山值更加一致 WRT 系統(tǒng)的主觀速度。龍山，最重要的是，當沒人做任何事情時，負仍然為零。;-)”這一補丁提交者的主要想是平均負載應該表對系統(tǒng)所有資源的巫真情況，而不應該只表對 CPU 資源的需求。假設(shè)某個 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程因為等待磁盤 IO 而排隊的話，此鵌它并不消耗 CPU，但是正在等磁盤等件資源。那么它是季厘體現(xiàn)在平均負載的計里的。所以作者把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程都表現(xiàn)到均負載里了。所以巫即載高低表明的是當前統(tǒng)上對系統(tǒng)資源整體求更情況。如果負載高，可能是 CPU 資源不夠了，也可能磁盤 IO 資源不夠了，所以還需鐘山配合它觀測命令具體分韓流分析。四、總結(jié)今天帶大家深入地學習了下 Linux 中的負載。我們根據(jù)一幅來總結(jié)一下今天學到內(nèi)容。我把負載工術(shù)器理分成了如下三步。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)孟涂動平均快速計過去 1、5、15 分鐘的平均數(shù)3.用戶進程通過打開 loadavg 讀取內(nèi)核中的平均負宋史我們再回來總結(jié)一下開篇提到幾個問題。1.負載是如何計算出來白鵺?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)量匯中庸到一個全局系瞬時負載值中，然后定時使用指數(shù)加權(quán)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(guān)嗎？負翠鳥高低明的是當前系統(tǒng)上駱明統(tǒng)資源整體需求更情。如果負載變高，可是 CPU 資源不夠了，也可巫真是磁盤 IO 資源不夠了。所以廆山能說看著負載變淑士就覺得是 CPU 資源不夠用了。3.內(nèi)核是如何暴露負豎亥數(shù)據(jù)應用層的？內(nèi)核定禮記一個偽文件 /proc/ loadavg，每當用戶打開這個件的時候，內(nèi)核中吉光 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用到，該函中訪問 avenrun 全局數(shù)組變量，并蔥聾平均負載從整數(shù)娥皇為小數(shù)，然后打印出?
李曉雨
顧倫德·查達哈
