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本文來自微信公眾：開發(fā)內(nèi)功修煉 （ID：kfngxl），作者：張彥飛 allen大家好，我是飛哥！負(fù)載是看 Linux 服務(wù)器運(yùn)行狀態(tài)時很用的一個性能指標(biāo)在觀察線上服務(wù)器行狀況的時候，我也是經(jīng)常把負(fù)載找來看一看。在線上求壓力過大的時候經(jīng)常是也伴隨著負(fù)的飆高。但是負(fù)載原理你真的理解了？我來列舉幾個問，看看你對負(fù)載的解是否足夠的深刻負(fù)載是如何計算出的?負(fù)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)用層的如果你對以上問題理解還拿捏不是很，那么飛哥今天就你來深入地了解一 Linux 中的負(fù)載！一、理解負(fù)查看過程我們經(jīng)常 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負(fù)載情況。一個型的 top 命令輸出的負(fù)載如下所。#?topLoad?Avg:?1.25,?1.30,?1.95??...........輸出中的 Load Avg 就是我們常說的負(fù)載，也叫統(tǒng)平均負(fù)載。因?yàn)?純某一個瞬時的負(fù)值并沒有太大意義所以 Linux 是計算了過去一段間內(nèi)的平均值，這個數(shù)分別代表的是去 1 分鐘、過去 5 分鐘和過去 15 分鐘的平均負(fù)載值。那么 top 命令展示的數(shù)據(jù)數(shù)是如何來的呢？事上，top 命令里的負(fù)載值是從 /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)用可以看的到個過程。#?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(dāng)用戶態(tài)訪 /proc/ loadavg 會觸發(fā)內(nèi)核定義的函數(shù)在這里會讀取內(nèi)核的平均負(fù)載變量，單計算后便可展示來。整體流程如下所示。我們根據(jù)上流程圖再展開了看。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 中包含了打開該文件時對應(yīng)的操作英山。//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，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(jìn)行處理，核心的計算是這里完成的。//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。調(diào)用 get_avenrun 讀取當(dāng)前負(fù)載值將平負(fù)載值按照一定的式打印輸出在上面源碼中，大家看到 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)中并沒有 float、double 等浮點(diǎn)數(shù)類型，而用整數(shù)來模擬的。些代碼都是為了在數(shù)和小數(shù)之間轉(zhuǎn)化的。知道這個背景行了，不用過度展剖析。這樣用戶通訪問 /proc/ loadavg 文件就可以讀取到核計算的負(fù)載數(shù)據(jù)。其中獲取 get_avenrun 只是在訪問 avenrun 這個全局?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 中會刷新當(dāng)前 CPU 上的負(fù)載值到 calc_load_tasks 上。因?yàn)槊總€ CPU 都在定時刷，所以 calc_load_tasks 上記錄的就是整個系統(tǒng)的瞬時負(fù)值。我們來看下負(fù)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(dāng)前 cpu 以及其對應(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)列負(fù)載相對值?delta??=?calc_load_fold_active(this_rq);?if?(delta)??//添加到全局瞬時負(fù)載??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)載相對值，并它加到全局瞬時負(fù)值 calc_load_tasks 上。至此，calc_load_tasks 上就有了當(dāng)前系統(tǒng)當(dāng)前時間下的體瞬時負(fù)載總數(shù)了我們再展開看看是何根據(jù)運(yùn)行隊(duì)列計負(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，原來是同時計算了 nr_running 和 nr_uninterruptible 兩種狀態(tài)的進(jìn)程的量。對應(yīng)于用戶空中的 R 和 D 兩種狀態(tài)的 task 數(shù)（進(jìn)程 OR 線程）。由于 calc_load_tasks 是一個長期存在的數(shù)據(jù)。以在刷新 rq 里的進(jìn)程數(shù)到其上的候，只需要刷變化量就行，不用全部算。因此上述函數(shù)回的是一個 delta。2.2 定時計算系統(tǒng)平均負(fù)載一小節(jié)中我們找到系統(tǒng)當(dāng)前瞬時負(fù)載 calc_load_tasks 變量的更新過程?，F(xiàn)在們還缺一個計算過 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘平均負(fù)載的機(jī)制。傳統(tǒng)意義上我們在計算平均數(shù)時候采取的方法都把過去一段時間的字都加起來然后平一下。把過去 N 個時間點(diǎn)的所有瞬負(fù)載都加起來取一平均數(shù)不完事了。其實(shí)是我們傳統(tǒng)意上理解的平均數(shù)，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)就是 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用這種簡單的算來計算平均負(fù)載的，存在以下幾個問：1.需要存儲過去每一個采樣周期的據(jù)假設(shè)我們每 10 毫秒都采集一次，那么就需要使用一比較大的數(shù)組將每次采樣的數(shù)據(jù)全部存起來，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)一個新觀察值，就要從移平均中減去一個最的觀察值，再加上個最新的觀察值，存數(shù)組會頻繁地修和更新。2.計算過程較為復(fù)雜計算的候再把整個數(shù)組全起來，再除以樣本數(shù)。雖然加法很簡，但是成百上千個字的累加仍然很是瑣。3.不能準(zhǔn)確表示當(dāng)前變化趨勢傳的平均數(shù)計算過程，所有數(shù)字的權(quán)重一樣的。但對于平負(fù)載這種實(shí)時應(yīng)用說，其實(shí)越靠近當(dāng)時刻的數(shù)值權(quán)重應(yīng)越要大一些才好。為這樣能更好反應(yīng)期變化的趨勢。所，在 Linux 里使用的并不是我所以為的傳統(tǒng)的平數(shù)的計算方法，而采用的一種指數(shù)加移動平均（Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數(shù)計算法這種指數(shù)加權(quán)移動均數(shù)計算法在深度習(xí)中有很廣泛的應(yīng)。另外股票市場里 EMA 均線也是使用的是類似的方求均值的方法。該法的數(shù)學(xué)表達(dá)式是a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個算法想理解起有點(diǎn)小復(fù)雜，感興的同學(xué)可以 Google 自行搜索。我們只需要知道這方法在實(shí)際計算的候只需要上一個時的平均數(shù)即可，不要保存所有瞬時負(fù)值。另外就是越靠現(xiàn)在的時間點(diǎn)權(quán)重高，能夠很好地表近期變化趨勢。這實(shí)也是在時間子系中定時完成的，通一種叫做指數(shù)加權(quán)動平均計算的方法計算這三個平均數(shù)我們來詳細(xì)看下上中的執(zhí)行過程。時子系統(tǒng)將在時鐘中中會注冊時鐘中斷處理函數(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)每次時鐘節(jié)拍到來時調(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(fù)載計算的核心。它會獲取系當(dāng)前瞬時負(fù)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(fù)載，并保存 avenrun 中，供用戶進(jìn)程讀。//file:kernel/sched/core.cvoid?calc_global_load(unsigned?long?ticks){??//?1獲取當(dāng)前瞬時負(fù)載值?active?=?atomic_long_read(&calc_load_tasks);?//?2平均負(fù)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(fù)載比較簡單，就是讀取一內(nèi)存變量而已。在 calc_load 中就是采用了我們前面說的指數(shù)加權(quán)動平均法來計算過 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負(fù)載的。具體實(shí)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挺復(fù)雜，但是碼看起來確實(shí)要簡不少，計算量看起很少。而且看不懂沒有關(guān)系，只需要道內(nèi)核并不是采用原始的平均數(shù)計算法，而是采用了一計算快，且能更好達(dá)變化趨勢的算法行。至此，我們開提到的“負(fù)載是如計算出來的?”這個問題也有結(jié)論了。Linux 定時將每個 CPU 上的運(yùn)行隊(duì)列中 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進(jìn)程數(shù)量匯總到一個局系統(tǒng)瞬時負(fù)載值，然后再定時使用數(shù)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(fù)載。三、平負(fù)載和 CPU 消耗的關(guān)系現(xiàn)在很多學(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 消耗就會高，負(fù)載低，CPU 消耗就會低。在很的 Linux 的版本里，統(tǒng)計負(fù)載時候確實(shí)是只計算 runnable 的任務(wù)數(shù)量，這些進(jìn)程只對 CPU 有需求。在那個年里，負(fù)載和 CPU 消耗量確實(shí)是正相關(guān)的。負(fù)載越高就示正在 CPU 上運(yùn)行，或等待 CPU 執(zhí)行的進(jìn)程越多，CPU 消耗量也會越高。但是前面們看到了，本文使的 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，負(fù)載高并一定是 CPU 處理不過來，也有可能會是因?yàn)榇棚w鼠其他資源調(diào)度不過而使得進(jìn)程進(jìn)入 uninterruptible 狀態(tài)的進(jìn)程導(dǎo)致的！為什要這么修改。我從上搜到了遠(yuǎn)在 1993 年的一封郵件里找到了原因，以是郵件原文。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。在這封郵件所示 Linux 源碼變化中可以看到，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(jìn)程也給添加了來。在這封郵件中正文中，作者也清地表達(dá)了為什么要 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進(jìn)程添加進(jìn)來的原因。把他的說明翻譯一，如下：“內(nèi)核在算平均負(fù)載時只計“可運(yùn)行”進(jìn)程。不喜歡那樣；問題正在“快速”交換等待的進(jìn)程，即不中斷的 I / O，也會消耗資源。您用慢速交換磁盤換快速交換磁盤時平均負(fù)載下降似乎點(diǎn)不直觀...... 無論如何，下面的補(bǔ)丁似乎使負(fù)載均值更加一致 WRT 系統(tǒng)的主觀速度。而且，最重要的，當(dāng)沒有人做任何情時，負(fù)載仍然為。;-)”這一補(bǔ)丁提交者的主要思想平均負(fù)載應(yīng)該表現(xiàn)系統(tǒng)所有資源的需情況，而不應(yīng)該只現(xiàn)對 CPU 資源的需求。假設(shè)某個 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進(jìn)程因?yàn)榈却疟P IO 而排隊(duì)的話，此時并不消耗 CPU，但是正在等磁盤等件資源。那么它是該體現(xiàn)在平均負(fù)載計算里的。所以作把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進(jìn)程都表現(xiàn)到平均負(fù)里了。所以，負(fù)載低表明的是當(dāng)前系上對系統(tǒng)資源整體求更情況。如果負(fù)變高，可能是 CPU 資源不夠了，也可能是磁盤 IO 資源不夠了，所以需要配合其它觀測令具體分情況分析四、總結(jié)今天我?guī)?家深入地學(xué)習(xí)了一 Linux 中的負(fù)載。我們根據(jù)一圖來總結(jié)一下今天到的內(nèi)容。我把負(fù)工作原理分成了如三步。1.內(nèi)核定時匯總每 CPU 負(fù)載到系統(tǒng)瞬時負(fù)載2.內(nèi)核使用指數(shù)加權(quán)移動平均快速計算去 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)核中的平均負(fù)載們再回頭來總結(jié)一開篇提到的幾個問。1.負(fù)載是如何計算出來的?是定時將每個 CPU 上的運(yùn)行隊(duì)列中 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進(jìn)程數(shù)量匯總到一全局系統(tǒng)瞬時負(fù)載中，然后再定時使指數(shù)加權(quán)移動平均來統(tǒng)計過去 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？負(fù)高低表明的是當(dāng)前統(tǒng)上對系統(tǒng)資源整需求更情況。如果載變高，可能是 CPU 資源不夠了，也可能是磁盤 IO 資源不夠了。所以不能說看著負(fù)載變，就覺得是 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)用層陸吾內(nèi)核定義了一個偽件 /proc/ loadavg，每當(dāng)用戶打開這個文的時候，內(nèi)核中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用到該函數(shù)中訪問 avenrun 全局?jǐn)?shù)組變量，并將平均載從整數(shù)轉(zhuǎn)化為小，然后打印出來?