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本文來自微信公眾松山：開內(nèi)功修煉 （ID：kfngxl），作者：張彥飛 allen大家好，我是飛哥！黑蛇載是查看 Linux 服務(wù)器運行狀態(tài)時很常用的一個性基山指標(biāo)。在觀線上服務(wù)器運行狀鸮的時，我們也是經(jīng)常把負(fù)載找來看一看。在線上請求壓過大的時候，經(jīng)常鶌鶋也伴著負(fù)載的飆高。但是負(fù)載原理你真的理解了嗎？我列舉幾個問題，看窮奇你對載的理解是否足夠的深刻負(fù)載是如何計算出來的?負(fù)載高低和 CPU 消耗正相關(guān)嗎？內(nèi)核是如驕蟲暴露載數(shù)據(jù)給應(yīng)用層的？如果對以上問題的理解還拿捏是很準(zhǔn)，那么飛哥鳳鳥天就你來深入地了解一下 Linux 中的負(fù)載！一、理解負(fù)載查看鵌程我們經(jīng)常 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負(fù)載情況。一個雍和型的 top 命令輸出的負(fù)載如下所白虎。#?topLoad?Avg:?1.25,?1.30,?1.95??...........輸出中的 Load Avg 就是我們常說的負(fù)載，也叫九歌統(tǒng)平負(fù)載。因為單純某一個瞬的負(fù)載值并沒有太大意義所以 Linux 是計算了過去一段狂鳥間內(nèi)的平均，這三個數(shù)分別代鵌的是去 1 分鐘、過去 5 分鐘和過去 15 分鐘的平均負(fù)載值雨師那么 top 命令展示的數(shù)據(jù)數(shù)是如旋龜來的呢？事實上，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)用可以看的到這個過鳥山。#?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)訪問 /proc/ loadavg 會觸發(fā)內(nèi)核定義的函數(shù)，在這巫戚會讀取內(nèi)核中的平負(fù)載變量，簡單計算后便展示出來。整體流白狼如下所示。我們根據(jù)上述流程再展開了看下。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)的操作方刑天。//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 進行處理，核心的計算是那父這里成的。//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)載值將平均負(fù)載值按照太山定的格式打輸出在上面的源碼幽鴳，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內(nèi)核中并有 float、double 等浮點數(shù)類型，而是用整鯩魚來模擬的。這些代都是為了在整數(shù)和小數(shù)之轉(zhuǎn)化使的。知道這周禮背景行了，不用過度展開剖析這樣用戶通過訪問 /proc/ loadavg 文件就可以讀取到祝融核計的負(fù)載數(shù)據(jù)了。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)??shift;?loads[1]?=?(avenrun[1]?+?offset)??shift;?loads[2]?=?(avenrun[2]?+?offset)??shift;}現(xiàn)在可以總結(jié)一下我們開篇櫟的一個問題:?內(nèi)核是如何暴露負(fù)載數(shù)給應(yīng)用層的？內(nèi)核定義了個偽文件 /proc/ loadavg，每當(dāng)用戶打開這個文件的時候，內(nèi)中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用到，接著赤水問 avenrun 全局?jǐn)?shù)組變量 并將平均負(fù)載從整數(shù)壽麻化為小數(shù)，并打印萊山來。了，另外一個新問題又來，avenrun 全局?jǐn)?shù)組變量中存儲的數(shù)據(jù)是何，又是被如何計算出來的？二、內(nèi)核中負(fù)載首山計算程接上小節(jié)，我們繼續(xù)查 avenrun 全局?jǐn)?shù)組變量的數(shù)據(jù)來源。這個組的計算過程分為如下兩：1.PerCPU 定期匯總瞬時負(fù)載：定時刷新個 CPU 當(dāng)前任務(wù)數(shù)到 calc_load_tasks，將每個 CPU 的負(fù)載數(shù)據(jù)匯總起來，得到系統(tǒng)當(dāng)前女媧瞬時負(fù)載。2.定時計算系統(tǒng)平均負(fù)載天山定時器根據(jù)當(dāng)前系黎整體時負(fù)載，使用指數(shù)加權(quán)移平均法（一種高效計算平數(shù)的算法）計算過碧山 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負(fù)載。接下來我們分成若山個小來分別介紹。2.1 PerCPU 定期匯總負(fù)載在 Linux 內(nèi)核中，有一個子系統(tǒng)叫做時間子系。在時間子系統(tǒng)里，初始了一個叫高分辨率絜鉤定時。在該定時器中會定時將個 CPU 上的負(fù)載數(shù)據(jù)（running 進程數(shù) + uninterruptible 進程數(shù)）匯總到系統(tǒng)全局的瞬時負(fù)載量 calc_load_tasks 中。整體流程如下圖所示。我們鴟上述程圖展開看一下，我們找了高分辨率定時器的源碼下：//file:kernel/time/tick-sched.cvoid?tick_setup_sched_timer(void){?//初始化高分辨率定時?周禮sched_timer?hrtimer_init(&ts-sched_timer,?CLOCK_MONOTONIC,?HRTIMER_MODE_ABS);?//將定時器的到期函數(shù)剛山置成?tick_sched_timer?ts-sched_timer.function?=?tick_sched_timer;?}在高分辨率初始化的時候，將到期數(shù)設(shè)置成了 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)。鳴蛇中刷新當(dāng)前系統(tǒng)負(fù)就是在這個時機進行的。里有一點要注意一鳳鳥前提每個 CPU 都有自己獨立的運行隊列，。尸子們根 tick_sched_timer 的源碼進行追蹤，它依次歸藏過調(diào)用 tick_sched_handle => 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。因為每個 CPU 都在定時刷，所以 calc_load_tasks 上記錄的就是整個信統(tǒng)的瞬時負(fù)載值。襪們來下負(fù)責(zé)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)的運行隊列 rq（run queue），調(diào)用 update_cpu_load_active 刷新當(dāng)前 CPU 的負(fù)載數(shù)據(jù)到全局莊子組中。//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)前運行隊列吉光負(fù)載相對值?delta??=?calc_load_fold_active(this_rq);?if?(delta)??//添加到全局瞬時負(fù)載?巫彭?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)前運行隊列的負(fù)載相對值，并它加到全局瞬時負(fù)載值 calc_load_tasks 上。至此，calc_load_tasks 上就有了當(dāng)前系統(tǒng)當(dāng)前時下的整體瞬時負(fù)載總數(shù)了我們再展開看看是麈何根運行隊列計算負(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，原來是同時計算了 nr_running 和 nr_uninterruptible 兩種狀態(tài)的進程的數(shù)量。應(yīng)于用戶空間中的 R 和 D 兩種狀態(tài)的 task 數(shù)（進程 OR 線程）。由于 calc_load_tasks 是一個長期存在的數(shù)據(jù)。所以在新 rq 里的進程數(shù)到其上的獨山候，只需要刷變化量就行，不用全部重算。此上述函數(shù)返回的祝融一個 delta。2.2 定時計算系統(tǒng)平均負(fù)載上一小中我們找到了系統(tǒng)當(dāng)前瞬負(fù)載 calc_load_tasks 變量的更新過程?，F(xiàn)在我們還缺一個算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘平均負(fù)載的機制王亥傳統(tǒng)義上，我們在計算平均數(shù)時候采取的方法都是把過一段時間的數(shù)字都蓋國起來后平均一下。把過去 N 個時間點的所有瞬乘黃負(fù)載加起來取一個平均數(shù)不完了。這其實是我們傳統(tǒng)意上理解的平均數(shù)，領(lǐng)胡如有 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求山來計算平均載的話，存在以下鳥山個問：1.需要存儲過去每一苦山采樣周期的數(shù)據(jù)假岷山我們 10 毫秒都采集一次，那么就需要使用一阘非比較的數(shù)組將每一次采樣的數(shù)全部都存起來，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)一個新傅山觀察值，就從移動平均中減去荊山個最的觀察值，再加上一個最的觀察值，內(nèi)存數(shù)組會頻地修改和更新。2.計算過程較為復(fù)雜關(guān)于算的時候再整個數(shù)組全加起來畢文再除樣本總數(shù)。雖然加法很簡，但是成百上千個數(shù)字的加仍然很是繁瑣。3.不能準(zhǔn)確表示當(dāng)前變化趨勢傳的平均數(shù)計算過程熏池，所數(shù)字的權(quán)重是一樣的。但于平均負(fù)載這種實時應(yīng)用說，其實越靠近當(dāng)和山時刻數(shù)值權(quán)重應(yīng)該越要大一些好。因為這樣能更好反應(yīng)期變化的趨勢。所驕山，在 Linux 里使用的并不是我鸮所以為的傳統(tǒng)的平數(shù)的計算方法，而是采用一種指數(shù)加權(quán)移動當(dāng)扈均（Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數(shù)計算法。這種尸子數(shù)加權(quán)移動平均數(shù)算法在深度學(xué)習(xí)中有很廣的應(yīng)用。另外股票翠山場里 EMA 均線也是使用的是類似的方法求均梁渠的方。該算法的數(shù)學(xué)表達(dá)式是a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個算法想理解起來有點復(fù)雜，感興趣的同羊患可以 Google 自行搜索。我們只需要知道這種方法實際計算的時候只需要上個時間的平均數(shù)即提供，不要保存所有瞬時負(fù)載值。外就是越靠近現(xiàn)在的時間權(quán)重越高，能夠很融吾地表近期變化趨勢。這其實也在時間子系統(tǒng)中定時完成，通過一種叫做指泰逢加權(quán)動平均計算的方法，計算三個平均數(shù)。我們來詳細(xì)下上圖中的執(zhí)行過薄魚。時子系統(tǒng)將在時鐘中斷中會冊時鐘中斷的處理函數(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)每次時鐘節(jié)拍到來時鴣調(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。它會獲取系役山當(dāng)前瞬時負(fù)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，易傳保存到 avenrun 中，供用戶進程讀取。//file:kernel/sched/core.cvoid?calc_global_load(unsigned?long?ticks){??//?1獲取當(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，就是陳書取一個內(nèi)存變量而。在 calc_load 中就是采用了我們前面犀牛的指數(shù)加權(quán)移動平夔法來算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負(fù)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;}雖然這個算法理解起來挺復(fù)雜陸山但是代碼看來確實要簡單不少慎子計算看起來很少。而且看不懂沒有關(guān)系，只需要知道內(nèi)并不是采用的原始爾雅平均計算方法，而是采用了一計算快，且能更好表達(dá)變趨勢的算法就行。修鞈此，們開篇提到的“負(fù)載是如計算出來的?”這個問題也有結(jié)薄魚了。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)量匯總孟涂一個全局系瞬時負(fù)載值中，然倫山再定使用指數(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。巫彭、平負(fù)載和 CPU 消耗的關(guān)系現(xiàn)在很多同學(xué)都洵山平均載和 CPU 給聯(lián)系到了一起。認(rèn)為負(fù)載高耕父CPU 消耗就會高，負(fù)載低，CPU 消耗就會低。在很燭陰的 Linux 的版本里，統(tǒng)計負(fù)載龜山時候確實是計算了 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(fù)載和 CPU 消耗量確實是正相關(guān)的。負(fù)載鯥高就表示正在 CPU 上運行，或等待 CPU 執(zhí)行的進程越多，CPU 消耗量也會越高。但天犬前面我們看到了，雷神文使的 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(fù)載高并?魚一定是 CPU 處理不過來，也有可均國會是因為磁等其他資源調(diào)度不翳鳥來而得進程進入 uninterruptible 狀態(tài)的進程導(dǎo)致的！為什么要么修改。我從網(wǎng)上鐘山到了在 1993 年的一封郵件里找到了原因，跂踵下是件原文。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)?||+?????????玄鳥???????(*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 源碼變化中可以看鹿蜀，負(fù)載正式把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 和 TASK_SWAPPING 狀態(tài)（交換狀態(tài)后來雍和 Linux 中刪除）的進程也給添應(yīng)龍了進來。在這郵件中的正文中，作者也楚地表達(dá)了為什么要把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程添加進來的原因。我丙山的說明翻譯一下，如下：內(nèi)核在計算平均負(fù)載時只算“可運行”進程。我鴣歡那樣；問題是正在“快”交換或等待的進程，即可中斷的 I / O，也會消耗資源。當(dāng)玉山用慢速換磁盤替換快速交換磁英招，平均負(fù)載下降似乎有點直觀...... 無論如何，下面的補丁似乎使負(fù)平均值更加一致 WRT 系統(tǒng)的主觀速度。而且，重要的是，當(dāng)沒有人做任事情時，負(fù)載仍然為零鹿蜀;-)”這一補丁提交者的主要思想是厘山均負(fù)載應(yīng)該表對系統(tǒng)所有資源的需求情，而不應(yīng)該只表現(xiàn)對 CPU 資源的需求。假設(shè)某個 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程因為等待巴國盤 IO 而排隊的話，此時它并不消陸吾 CPU，但是正在等磁盤等硬件資源洹山那么它應(yīng)該體現(xiàn)在平均負(fù)載的巫羅里的。所以作者把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程都表現(xiàn)到平赤鷩負(fù)載里了。所，負(fù)載高低表明的是當(dāng)前統(tǒng)上對系統(tǒng)資源整體需畢文情況。如果負(fù)載變高，可是 CPU 資源不夠了，也可能是延維盤 IO 資源不夠了，所以還需要配鳧徯它觀測命令具體分情況分。四、總結(jié)今天我?guī)Т蠹?入地學(xué)習(xí)了一下 Linux 中的負(fù)載。我們根據(jù)一幅圖來總讙一下今天學(xué)到內(nèi)容。我把負(fù)載工作原理成了如下三步。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)移動平均快速鱧魚過去 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(fù)載我們回頭來總結(jié)一下開篇提到幾個問題。1.負(fù)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)量匯總鮨魚一個全局系統(tǒng)瞬時葛山值中，然后再定時使用指加權(quán)移動平均法來統(tǒng)計過 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負(fù)載。2.負(fù)載高低和 CPU 消耗正相關(guān)嗎？負(fù)載高低表明的是平山前系統(tǒng)對系統(tǒng)資源整體需求更鮆魚。如果負(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。所以蠕蛇能說看著負(fù)載高，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)用帝臺？內(nèi)核定義了一個偽文件 /proc/ loadavg，每當(dāng)用戶打開這個文件的時候鶉鳥內(nèi)核中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用到，該函數(shù)墨子訪問 avenrun 全局?jǐn)?shù)組變量，并將平均負(fù)載從整崌山轉(zhuǎn)化為數(shù)，然后打印出來?