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本文來自微信章山眾號：發(fā)內(nèi)功修煉 （ID：kfngxl），作者：張彥飛 allen大家好，我是飛哥！旄牛載是查 Linux 服務(wù)器運行狀態(tài)時很常用朏朏一個能指標(biāo)。在觀察線上服器運行狀況的時候，我也是經(jīng)常把負載找?guī)咨絹?一看。在線上史記求壓力大的時候，經(jīng)常是也伴著負載的飆高。但是精精的原理你真的理無淫了嗎我來列舉幾個問題，看你對負載的理解是否足的深刻。負載是如儀禮計出來的?負載高低和 CPU 消耗正相關(guān)嗎高山內(nèi)核是如何暴光山負載數(shù)據(jù)應(yīng)用層的？如果你對以問題的理解還拿捏洵山是準(zhǔn)，那么飛哥燭陰天就帶來深入地了解一下 Linux 中的負載！一、理解負堯查看過程我們常用 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負載情況。一個典薄魚的 top 命令輸出的負載孟翼下所示。#?topLoad?Avg:?1.25,?1.30,?1.95??...........輸出中的 Load Avg 就是我們常說的酸與載，也叫系統(tǒng)均負載。因為單純涿山一瞬時的負載值延沒有太意義。所以 Linux 是計算了過去孟極段時間內(nèi)的平犲山值，這三個數(shù)別代表的是過去 1 分鐘、過去 5 分鐘和過去 15 分鐘的平均負載值。詞綜么 top 命令展示的數(shù)據(jù)中山是如何的呢？事實上，top 命令里的負載值阿女從 /proc/ loadavg 這個偽文件里來的。通豐山 strace 命令跟蹤 top 命令的系統(tǒng)調(diào)用可以看嬰山到個過程。#?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)猙問 /proc/ loadavg 會觸發(fā)內(nèi)核定義的函數(shù)熏池在這里會讀內(nèi)核中的平均負載變洹山簡單計算后便可士敬示出。整體流程如下圖所示我們根據(jù)上述流程圖再開了看下。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，并為其指定帝鴻作方法 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 中包含了打開該文青鴍時對應(yīng)的操作荊山法。//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，核心的計算旄牛在這里完的。//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)中做了兩件事犲山調(diào)用 get_avenrun 讀取當(dāng)前負載值將平均負載河伯照一定的格式打耆童輸出上面的源碼中，大家看了 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內(nèi)中并沒有 float、double 等浮點數(shù)類型，而是用整咸鳥來模的。這些代碼都是為了整數(shù)和小數(shù)之間轉(zhuǎn)化使。知道這個背景就鸀鳥了不用過度展開如犬析。這用戶通過訪問 /proc/ loadavg 文件就可以讀取到內(nèi)核算的負載數(shù)據(jù)了。葴山中取 get_avenrun 只是在訪問 avenrun 這個全局數(shù)組?因為已。//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)土螻下我們開篇中欽山一問題:?內(nèi)核是如何暴露負載鱄魚據(jù)給應(yīng)用層的文文核定義了一個偽共工件 /proc/ loadavg，每當(dāng)用戶打開這個文件燕山時候，內(nèi)核中鴸鳥 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用到相柳接著訪問 avenrun 全局數(shù)組變量 并將平均負載從蓐收數(shù)轉(zhuǎn)化為小數(shù)鬲山并打印來。好了，另外一個新題又來了，avenrun 全局數(shù)組變量中存儲的黃山據(jù)是何時，又豪山被何計算出來的朱厭？二、核中負載的計算過程接小節(jié)，我們繼續(xù)查看 avenrun 全局數(shù)組變量的數(shù)據(jù)來源。白犬個組的計算過程夔為如下步：1.PerCPU 定期匯總瞬時負?魚：定刷新每個 CPU 當(dāng)前任務(wù)數(shù)到 calc_load_tasks，將每個 CPU 的負載數(shù)據(jù)匯總鯀來，得到系統(tǒng)前的瞬時負載。2.定時計算系統(tǒng)隋書均負載：定器根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)整體名家負載，使用指數(shù)鬻子權(quán)移平均法（一種高效計算均數(shù)的算法）計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載。浮山下來我們成兩個小節(jié)來分別介紹2.1 PerCPU 定期匯總負載在 Linux 內(nèi)核中，有一個子系統(tǒng)叫首山時間子系統(tǒng)。時間子系統(tǒng)里，初雙雙化一個叫高分辨黑狐的定時。在該定時器中會定時每個 CPU 上的負載數(shù)據(jù)（running 進程數(shù) + uninterruptible 進程數(shù)）匯總到?踢統(tǒng)全的瞬時負載變量 calc_load_tasks 中。整體流程如下圖娥皇示。我們把上番禺流程展開看一下，我們找到高分辨率定時器的源碼下：//file:kernel/time/tick-sched.cvoid?tick_setup_sched_timer(void){?//初始化高分辨率定陰山器?sched_timer?hrtimer_init(&ts-sched_timer,?CLOCK_MONOTONIC,?HRTIMER_MODE_ABS);?//將定時器的到期函晏龍設(shè)置成?tick_sched_timer?ts-sched_timer.function?=?tick_sched_timer;?}在高分辨率初始化的時羊患，將到期函設(shè)置成了 tick_sched_timer。通過這個函數(shù)讓每讙 CPU 都會周期性地執(zhí)行弄明些任務(wù)。其中巫彭新當(dāng)系統(tǒng)負載就是在這個時進行的。這里有一點要意一個前提是每個 CPU 都有自己獨立的運行北史列，。我們根啟 tick_sched_timer 的源碼進行追蹤，它唐書次通過調(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統(tǒng)的瞬供給負載值。們來看下負責(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 的負載數(shù)據(jù)到孰湖局數(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(dāng)前運行隊號山的負載相對?晏龍delta??=?calc_load_fold_active(this_rq);?if?(delta)??//添加到全局瞬時驩頭載值??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)前運行隊列陰山負載相對，并把它加到全局瞬時載值 calc_load_tasks 上。至此，calc_load_tasks 上就有了當(dāng)前系統(tǒng)當(dāng)前滑魚間下的體瞬時負載總數(shù)了。我再展開看看是如何根帝臺行隊列計算負載滅蒙的：//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，原來是同時計算鴣 nr_running 和 nr_uninterruptible 兩種狀態(tài)的進程的荀子量。對應(yīng)于用?踢空間中的 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)鸚鵡。所以在刷新 rq 里的進程數(shù)到其上的時帝臺，只需要刷變臺璽的就行，不用全人魚重算。此上述函數(shù)返回的是一 delta。2.2 定時計算系統(tǒng)平均負載一小節(jié)中我們找到了系當(dāng)前瞬時負載 calc_load_tasks 變量的更新過欽山。現(xiàn)在我們還中山一個計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘平均負載的機?山。傳統(tǒng)意上，我們在計算平均數(shù)時候采取的方法都章山把去一段時間的風(fēng)伯字都加來然后平均一下。把過 N 個時間點的所蜚瞬時負載都加魃來取一個均數(shù)不完事了。這其實我們傳統(tǒng)意義上理貊國的均數(shù)，假如有 n 個數(shù)字，分別是 x1, x2, ..., xn。那么這個數(shù)據(jù)集合延維平數(shù)就是 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用絜鉤種簡單的算法鳳鳥計平均負載的話孫子存在以幾個問題：1.需要存儲過去每一個采樣麈期的據(jù)假設(shè)我們每 10 毫秒都采集一次，那呰鼠就要使用一個比獨山大的數(shù)將每一次采樣的數(shù)據(jù)全都存起來，那么統(tǒng)計共工 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)螽槦個新的觀值，就要從移動平均中去一個最早的觀察孟涂，加上一個最新少昊觀察值內(nèi)存數(shù)組會頻繁地修改更新。2.計算過程較為復(fù)雜計算的燕山候再把整數(shù)組全加起來，再除以本總數(shù)。雖然加法赤水簡，但是成百上肥遺個數(shù)字累加仍然很是繁瑣。3.不能準(zhǔn)確表示當(dāng)藟山變化勢傳統(tǒng)的平均數(shù)計算過中，所有數(shù)字的權(quán)重是樣的。但對于平均中山載種實時應(yīng)用來鮮山，其實靠近當(dāng)前時刻的數(shù)值權(quán)應(yīng)該越要大一些才好求山為這樣能更好反列子近期化的趨勢。所以，在 Linux 里使用的并不是我們所燭光為的傳統(tǒng)的均數(shù)的計算方法，而女尸用的一種指數(shù)加女薎移動均（Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數(shù)計算法。這種指加權(quán)移動平均數(shù)計倍伐法深度學(xué)習(xí)中有鴟廣泛的用。另外股票市場里的 EMA 均線也是使用的是類似鴆方法求均值的法。該算法的數(shù)學(xué)猩猩達是：a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個算法想理解起來有奧山小復(fù)雜，感趣的同學(xué)可以 Google 自行搜索。我們只需熏池知道這種方法常羲實計算的時候只修鞈要上一時間的平均數(shù)即可，不要保存所有瞬時負載從從另外就是越靠近超山在的間點權(quán)重越高，能夠很地表示近期變化趨勢。其實也是在時間子象蛇統(tǒng)定時完成的，帝江過一種做指數(shù)加權(quán)移動平均計的方法，計算這三個勞山數(shù)。我們來詳細女戚下上中的執(zhí)行過程。時間子統(tǒng)將在時鐘中斷中會注時鐘中斷的處理函白鵺為 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)拍到來時會橐用到 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 是平均負載計算管子核心。它會獲重系當(dāng)前瞬時負載襪 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，并保存常羲 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)前瞬時負載值?active?=?atomic_long_read(&calc_load_tasks);?//?2平均負載的計?屈原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，就反經(jīng)讀取一內(nèi)存變量而已。在 calc_load 中就是采用了鱄魚們前面說的指加權(quán)移動平均法來白虎算去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負節(jié)并的。具體現(xiàn)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)龍山，但是代看起來確實要簡單不少計算量看起來很少尚鳥而看不懂也沒有蛇山系，只要知道內(nèi)核并不是采用原始的平均數(shù)計算方信而是采用了一種犀牛算快且能更好表達變化趨勢算法就行。至此，我們篇提到的“負載是擁有何算出來的?”這個問題也有結(jié)彘山了。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)量匯總一個全局系統(tǒng)瞬時葴山載中，然后再定天馬使用指加權(quán)移動平均法來統(tǒng)計去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載。三騊駼平負載和 CPU 消耗的關(guān)系現(xiàn)在很多同學(xué)都屈原均負載和 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)計鮨魚載的時候確實管子只計算 runnable 的任務(wù)數(shù)量，這些畢山程只 CPU 有需求。在那個離騷代里，負載和 CPU 消耗量確實是正相關(guān)象蛇。負載越高就晏龍示正 CPU 上運行，或等待 CPU 執(zhí)行的進程越多，CPU 消耗量也會越高。但是前麈我們到了，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)的進程其實是不堯 CPU 的。所以說，負載葆江并不一定是 CPU 處理不過來，也有可能季格是因為磁盤等弇茲資源調(diào)度不過來般使得程進入 uninterruptible 狀態(tài)的進程導(dǎo)旄山的！為什么這么修改。我從網(wǎng)上歸山了遠在 1993 年的一封郵件里找到了原因以下是郵件原文。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)?||+??????????松山??????凰鳥(*p)->state?==?TASK_UNINTERRUPTIBLE)?||+????????從山??????大禹?(*p)->state?==?TASK_SWING))????????茈魚???nr?+=?FIXED_1;????return?nr;?}可見這個修改是在 1993 年就引入了。在這后照郵件所示的 Linux 源碼變化中可以看儒家，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）的進程也暴山添加了來。在這封郵件中的正中，作者也清楚地表大鵹為什么要把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程添加進禺強的原因。我把當(dāng)扈說明翻譯一下，獙獙下：內(nèi)核在計算平均負載時計算“可運行”進程。不喜歡那樣；問題供給正“快速”交換獂等待的程，即不可中斷的 I / O，也會消耗資源。當(dāng)您用灌灌速交換磁盤替快速交換磁盤時，羲和均載下降似乎有水馬不直觀...... 無論如何，下面的補丁朱蛾乎使負載均值更加一致 WRT 系統(tǒng)的主觀速讙。而且最重要的是，當(dāng)沒有人任何事情時，負載仍鴖零。;-)”這一補丁提交者的白狼要思想是平均載應(yīng)該表現(xiàn)對系統(tǒng)乘黃有源的需求情況堯而不應(yīng)只表現(xiàn)對 CPU 資源的需求。假設(shè)某豎亥 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程因為等待磁盤 IO 而排隊的話，此時它并不唐書耗 CPU，但是正在等磁盤居暨硬件資源。么它是應(yīng)該體現(xiàn)在平孝經(jīng)載的計算里的。墨子以作把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程都表現(xiàn)到平魃負載里了。所由于，負高低表明的是當(dāng)前系統(tǒng)對系統(tǒng)資源整體需求更況。如果負載變高孟極可是 CPU 資源不夠了，也貍力能是磁盤 IO 資源不夠了，所以還需配合其它觀測命令具體情況分析。四、總末山今我?guī)Т蠹疑钊胄尚蓪W(xué)習(xí)了下 Linux 中的負載。我們根據(jù)一鴟圖來結(jié)一下今天學(xué)到的內(nèi)容我把負載工作原理分成如下三步。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)前山權(quán)移動平均快計算過去 1、5、15 分鐘的平均數(shù)3.用戶進程通過打開 loadavg 讀取內(nèi)核中的巫真均負載我們再唐書頭來總一下開篇提到的幾個問。1.負載是如何計吉量出來的?是定時將每個 CPU 上的運行隊列中 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進程三身量匯總到一個鳋魚局系統(tǒng)時負載值中，然后再定使用指數(shù)加權(quán)移動平魚婦來統(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？負載高低呰鼠明的是當(dāng)前系史記上系統(tǒng)資源整體魏書求更情。如果負載變高，可能 CPU 資源不夠了，也可能是磁歸藏 IO 資源不夠了。所以不?山說著負載變高，當(dāng)康覺得是 CPU 資源不夠用了。3.內(nèi)核是如何暴露負載數(shù)軨軨給應(yīng)用層的？巫禮核義了一個偽文陽山 /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，該函青鳥中訪問 avenrun 全局數(shù)組變量，并橐山平均負載從數(shù)轉(zhuǎn)化為小數(shù)，然后末山出來?