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本文來自微信公號：開發(fā)內(nèi)功修 （ID：kfngxl），作者：張彥飛 allen大家好，我是飛哥！負載是延看 Linux 服務(wù)器運行狀態(tài)時很用的一個性能指。在觀察線上服器運行狀況的時，我們也是經(jīng)常負載找出來看一。在線上請求壓過大的時候，經(jīng)是也伴隨著負載飆高。但是負載原理你真的理解嗎？我來列舉幾問題，看看你對載的理解是否足的深刻。負載是何計算出來的?負載高低和 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？如果你對以上題的理解還拿捏是很準，那么飛今天就帶你來深地了解一下 Linux 中的負載！一、理解負載看過程我們經(jīng)常 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負載情況一個典型的 top 命令輸出的負載如下所示。#?topLoad?Avg:?1.25,?1.30,?1.95??...........輸出中的 Load Avg 就是我們常說的載，也叫系統(tǒng)平負載。因為單純一個瞬時的負載并沒有太大意義所以 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。那么 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)。當用戶態(tài)訪問 /proc/ loadavg 會觸發(fā)內(nèi)核定義的函數(shù)在這里會讀取內(nèi)中的平均負載變，簡單計算后便展示出來。整體程如下圖所示。們根據(jù)上述流程再展開了看下。文件 /proc/ loadavg 在 kernel 中定義是在 /fs/ proc / loadavg.c 中。在該文件中會建 /proc/ loadavg，并為其指定操方法 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的操作方法。//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。用 get_avenrun 讀取當前負載值將平負載值按照一定格式打印輸出在面的源碼中，大看到了 FIXED_1/200、LOAD_INT、LOAD_FRAC 等奇奇怪怪的定義，代碼寫這么猥瑣是因為核中并沒有 float、double 等浮點數(shù)類型，而是用整數(shù)模擬的。這些代都是為了在整數(shù)小數(shù)之間轉(zhuǎn)化使。知道這個背景行了，不用過度開剖析。這樣用通過訪問 /proc/ loadavg 文件就可以讀取到內(nèi)核計的負載數(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)??shift;?loads[1]?=?(avenrun[1]?+?offset)??shift;?loads[2]?=?(avenrun[2]?+?offset)??shift;}現(xiàn)在可以總結(jié)一下我們篇中的一個問題:?內(nèi)核是如何暴負載數(shù)據(jù)給應(yīng)用的？內(nèi)核定義了個偽文件 /proc/ loadavg，每當用戶打開這個文件的候，內(nèi)核中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用到，接著訪問 avenrun 全局數(shù)組變量 并將平均負載從整數(shù)化為小數(shù)，并打出來。好了，另一個新問題又來，avenrun 全局數(shù)組變量中存儲的數(shù)據(jù)是何，又是被如何計出來的呢？二、核中負載的計算程接上小節(jié)，我繼續(xù)查看 avenrun 全局數(shù)組變量的數(shù)據(jù)來。這個數(shù)組的計過程分為如下兩：1.PerCPU 定期匯總瞬時負載：定時刷新個 CPU 當前任務(wù)數(shù)到 calc_load_tasks，將每個 CPU 的負載數(shù)據(jù)匯總起來，到系統(tǒng)當前的瞬負載。2.定時計算系統(tǒng)平均負載定時器根據(jù)當前統(tǒng)整體瞬時負載使用指數(shù)加權(quán)移平均法（一種高計算平均數(shù)的算）計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載。接下來我們分兩個小節(jié)來分別紹。2.1 PerCPU 定期匯總負載在 Linux 內(nèi)核中，有一個子系統(tǒng)叫做間子系統(tǒng)。在時子系統(tǒng)里，初始了一個叫高分辨的定時器。在該時器中會定時將個 CPU 上的負載數(shù)據(jù)（running 進程數(shù) + uninterruptible 進程數(shù)）匯總到系統(tǒng)全局的時負載變量 calc_load_tasks 中。整體流程如下圖示。我們把上述程圖展開看一下我們找到了高分率定時器的源碼下：//file:kernel/time/tick-sched.cvoid?tick_setup_sched_timer(void){?//初始化高分辨率定時?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將到期函數(shù)設(shè)置了 tick_sched_timer。通過這個函數(shù)讓每個 CPU 都會周期性地執(zhí)行一些任務(wù)。其刷新當前系統(tǒng)負就是在這個時機行的。這里有一要注意一個前提每個 CPU 都有自己獨立的運隊列，。我們根 tick_sched_timer 的源碼進行追蹤，它依次通過用 tick_sched_handle => 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 上記錄的就是整個統(tǒng)的瞬時負載值我們來看下負責新的 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，獲取前 cpu 以及其對應(yīng)的運行隊 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?delta??=?calc_load_fold_active(this_rq);?if?(delta)??//添加到全局瞬時載值??atomic_long_add(delta,?&calc_load_tasks);?}在 calc_load_account_active 中看到，通過 calc_load_fold_active 獲取當前運行隊列負載相對值，并它加到全局瞬時載值 calc_load_tasks 上。至此，calc_load_tasks 上就有了當前系當前時間下的整瞬時負載總數(shù)了我們再展開看看如何根據(jù)運行隊計算負載值的：//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，原來是同時計算了 nr_running 和 nr_uninterruptible 兩種狀態(tài)的進程數(shù)量。對應(yīng)于用空間中的 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)所以在刷新 rq 里的進程數(shù)到其上的時候，只女英刷變化的量就行不用全部重算。此上述函數(shù)返回是一個 delta。2.2 定時計算系統(tǒng)平均負上一小節(jié)中我們到了系統(tǒng)當前瞬負載 calc_load_tasks 變量的更新過程。現(xiàn)在我們缺一個計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘平均負載的機制。傳統(tǒng)義上，我們在計平均數(shù)的時候采的方法都是把過一段時間的數(shù)字加起來然后平均下。把過去 N 個時間點的所有時負載都加起來一個平均數(shù)不完了。這其實是我傳統(tǒng)意義上理解平均數(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 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用這種簡單的算法來算平均負載的話存在以下幾個問：1.需要存儲過去每一個采樣周的數(shù)據(jù)假設(shè)我們 10 毫秒都采集一次，那么就要使用一個比較的數(shù)組將每一次樣的數(shù)據(jù)全部都起來，那么統(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)一個新的觀值，就要從移動均中減去一個最的觀察值，再加一個最新的觀察，內(nèi)存數(shù)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，再除以樣本總。雖然加法很簡，但是成百上千數(shù)字的累加仍然是繁瑣。3.不能準確表示當前變趨勢傳統(tǒng)的平均計算過程中，所數(shù)字的權(quán)重是一的。但對于平均載這種實時應(yīng)用說，其實越靠近前時刻的數(shù)值權(quán)應(yīng)該越要大一些好。因為這樣能好反應(yīng)近期變化趨勢。所以，在 Linux 里使用的并不是我們以為的傳統(tǒng)的平數(shù)的計算方法，是采用的一種指加權(quán)移動平均（Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數(shù)計算法這種指數(shù)加權(quán)移平均數(shù)計算法在度學習中有很廣的應(yīng)用。另外股市場里的 EMA 均線也是使用的是類似的方法雷神值的方法。該算的數(shù)學表達式是a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個算法想理解起來有點復(fù)雜，感興趣的學可以 Google 自行搜索。我們只需要知道種方法在實際計的時候只需要上個時間的平均數(shù)可，不需要保存有瞬時負載值。外就是越靠近現(xiàn)的時間點權(quán)重越，能夠很好地表近期變化趨勢。其實也是在時間系統(tǒng)中定時完成，通過一種叫做數(shù)加權(quán)移動平均算的方法，計算三個平均數(shù)。我來詳細看下上圖的執(zhí)行過程。時子系統(tǒng)將在時鐘斷中會注冊時鐘斷的處理函數(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"};當每次時鐘節(jié)拍來時會調(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 是平均負載計算的核心它會獲取系統(tǒng)當瞬時負載值 calc_load_tasks，然后來計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載，并保存到 avenrun 中，供用戶進程讀取//file:kernel/sched/core.cvoid?calc_global_load(unsigned?long?ticks){??//?1獲取當前瞬時負載值?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，就是讀一個內(nèi)存變量而。在 calc_load 中就是采用了我們前面的指數(shù)加權(quán)移動均法來計算過去 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;}雖然這個算法理起來挺復(fù)雜，但代碼看起來確實簡單不少，計算看起來很少。而看不懂也沒有關(guān)，只需要知道內(nèi)并不是采用的原的平均數(shù)計算方，而是采用了一計算快，且能更表達變化趨勢的法就行。至此，們開篇提到的“載是如何計算出的?”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)量總到一個全局系瞬時負載值中，后再定時使用指加權(quán)移動平均法統(tǒng)計過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載三、平均負載和 CPU 消耗的關(guān)系現(xiàn)在很多同學將平均負載和 CPU 給聯(lián)系到了一起。認為負載、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)計負載的時確實是只計算了 runnable 的任務(wù)數(shù)量，這些進程只對 CPU 有需求。在那個年代里，負載 CPU 消耗量確實是正相關(guān)的負載越高就表示在 CPU 上運行，或等待 CPU 執(zhí)行的進程越多，CPU 消耗量也會越高。但前面我們看到了本文使用的 3.10 版本的 Linux 負載平均數(shù)不僅跟蹤 runnable 的任務(wù)，而且還蹤處于 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，負載高并不一定是 CPU 處理不過來，也有可能會因為磁盤等其他源調(diào)度不過來而得進程進入 uninterruptible 狀態(tài)的進程導致的！什么要這么修改我從網(wǎng)上搜到了在 1993 年的一封郵件里找了原因，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)?||+?????????????????(*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 源碼變化中可以到，負載正式把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 和 TASK_SWAPPING 狀態(tài)（交換狀態(tài)后來從 Linux 中刪除）的進程也給加了進來。在這郵件中的正文中作者也清楚地表了為什么要把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程添加進來的原。我把他的說明譯一下，如下：內(nèi)核在計算平均載時只計算“可行”進程。我不歡那樣；問題是在“快速”交換等待的進程，即可中斷的 I / O，也會消耗資源。當您用慢速換磁盤替換快速換磁盤時，平均載下降似乎有點直觀...... 無論如何，下面的補丁似乎使負平均值更加一致 WRT 系統(tǒng)的主觀速度。而且，重要的是，當沒人做任何事情時負載仍然為零。;-)”這一補丁提交者的主要思想平均負載應(yīng)該表對系統(tǒng)所有資源需求情況，而不該只表現(xiàn)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，此時它并不消耗 CPU，但是正在等磁盤等硬件資源那么它是應(yīng)該體在平均負載的計里的。所以作者 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程都表現(xiàn)到均負載里了。所，負載高低表明是當前系統(tǒng)上對統(tǒng)資源整體需求情況。如果負載高，可能是 CPU 資源不夠了，也可能是磁盤 IO 資源不夠了，所以還需要配合它觀測命令具體情況分析。四、結(jié)今天我?guī)Т蠹?入地學習了一下 Linux 中的負載。我們根據(jù)幅圖來總結(jié)一下天學到的內(nèi)容。把負載工作原理成了如下三步。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)加移動平均快速計過去 1、5、15 分鐘的平均數(shù)3.用戶進程通過打開 loadavg 讀取內(nèi)核中的平均負載我們回頭來總結(jié)一下篇提到的幾個問。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)量匯總到一全局系統(tǒng)瞬時負值中，然后再定使用指數(shù)加權(quán)移平均法來統(tǒng)計過 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載。2.負載高低和 CPU 消耗正相關(guān)嗎？載高低表明的是前系統(tǒng)上對系統(tǒng)源整體需求更情。如果負載變高可能是 CPU 資源不夠了，也能是磁盤 IO 資源不夠了。所不能說看著負載高，就覺得是 CPU 資源不夠用了。3.內(nèi)核是如何暴露負載數(shù)據(jù)應(yīng)用層的？內(nèi)核義了一個偽文件 /proc/ loadavg，每當用戶打開這個件的時候，內(nèi)核的 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，并將平均載從整數(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)，然后打印出?