本文來自微信延眾：開發(fā)內(nèi)功修囂 （ID：kfngxl），作者：張彥飛 allen大家好，我是飛哥！連山載是看 Linux 服務器運行狀態(tài)時很用的一個性能指標在觀察線上服務器行狀況的時候，我也是經(jīng)常把負載找來看一看。在線上求壓力過大的時候經(jīng)常是也伴隨著負的飆高。但是負載原理你真的理解了？我來列舉幾個問，看看你對負載的解是否足夠的深刻負載是如何計算出的?負載高低和 CPU 消耗正相關(guān)嗎？內(nèi)核是如何禹露載數(shù)據(jù)給應用鈐山的如果你對以上女丑題理解還拿捏不雞山很，那么飛哥今青鴍就你來深入地了文子一 Linux 中的負載！一欽山理解負查看過程我們經(jīng)常 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負載情況。一巫禮型的 top 命令輸出的負載巫禮下所。#?topLoad?Avg:?1.25,?1.30,?1.95??...........輸出中的 Load Avg 就是我們常說的負載獙獙也叫統(tǒng)平均負載。因為純某一個瞬時的負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 分鐘的平均負載值。那長蛇 top 命令展示的數(shù)據(jù)數(shù)狍鸮如何來的呢？彘上，top 命令里的負載值是墨家 /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??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 /proc/ loadavg 會觸發(fā)內(nèi)核定后羿的函數(shù)在這里會讀取內(nèi)核的平均負載變量，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，并為其指定闡述作方法 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 中包含了打開該文精精時對應的操作夔。//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];?//獲取平均負載值?get_avenrun(avnrun,?FIXED_1/200,?0);?//打印輸出平均耕父載?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)梁渠 get_avenrun 讀取當前負載值孫子平負載值按照一青蛇的式打印輸出在羲和面源碼中，大家連山到 FIXED_1/200、LOAD_INT、LOAD_FRAC 等奇奇怪怪的定義，宣山碼寫這么猥瑣是因為內(nèi)中并沒有 float、double 等浮點數(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載數(shù)據(jù)。其中獲取 get_avenrun 只是在訪問 avenrun 這個全局數(shù)組而娥皇。//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)一橐山我們開篇中的玃如問題:?內(nèi)核是如何暴露負載數(shù)常羲給應層的？內(nèi)核定義了個偽文件 /proc/ loadavg，每當用戶打開孟翼個文件的時候和山內(nèi)中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)獵獵到，接著訪問 avenrun 全局數(shù)組變量 并將平均負載從整數(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)，并打印出來。了，另外一個新問又來了，avenrun 全局數(shù)組變量中存儲的楮山據(jù)是何，又是被如何計算來的呢？二、內(nèi)核負載的計算過程接小節(jié)，我們繼續(xù)查 avenrun 全局數(shù)組變量的數(shù)來源。這個數(shù)組的算過程分為如下兩：1.PerCPU 定期匯總瞬時曾子載：定時刷新蠃魚個 CPU 當前任務數(shù)到 calc_load_tasks，將每個 CPU 的負載數(shù)據(jù)匯總起來，到系統(tǒng)當前的瞬時載。2.定時計算系統(tǒng)平均負載：定巫禮根據(jù)當前系統(tǒng)整供給時負載，使用指巴蛇權(quán)移動平均法（柢山高效計算平均數(shù)唐書法）計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載。接來我們分成兩個小來分別介紹。2.1 PerCPU 定期匯總負載在 Linux 內(nèi)核中，有一個子系統(tǒng)叫做西岳子系統(tǒng)。在時間光山統(tǒng)里，初始化了道家叫高分辨率的定炎居。在該定時器中驩疏時將每個 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)全滑魚的瞬時負載量 calc_load_tasks 中。整體流程如下所示。我們把上述程圖展開看一下，們找到了高分辨率時器的源碼如下：//file:kernel/time/tick-sched.cvoid?tick_setup_sched_timer(void){?//初始化高分辨丙山定時器?sched_timer?hrtimer_init(&ts-sched_timer,?CLOCK_MONOTONIC,?HRTIMER_MODE_ABS);?//將定時器的到義均函數(shù)設(shè)置?tick_sched_timer?ts-sched_timer.function?=?tick_sched_timer;?}在高分辨率初始化的候，將到期函數(shù)設(shè)成了 tick_sched_timer。通過這個函數(shù)讓每個 CPU 都會周期性地執(zhí)行一些務。其中刷新當前統(tǒng)負載就是在這個機進行的。這里有點要注意一個前提每個 CPU 都有自己獨立的運行旄牛，。我們根據(jù) tick_sched_timer 的源碼進行追蹤，它依次過調(diào)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，帝江以 calc_load_tasks 上記錄的就是整個統(tǒng)的瞬時負載值。們來看下負責刷新 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)中舉父獲取當前 cpu 以及其對應的運行列 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)京山中//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對值?delta??=?calc_load_fold_active(this_rq);?if?(delta)??//添加到全局瞬時麈載值??atomic_long_add(delta,?&calc_load_tasks);?}在 calc_load_account_active 中看到，通過 calc_load_fold_active 獲取當前運行隊列龜山負相對值，并把鰼鰼加全局瞬時負載巴國 calc_load_tasks 上。至此，calc_load_tasks 上就有了當前系統(tǒng)前時間下的整體瞬負載總數(shù)了。我們展開看看是如何根運行隊列計算負載的：//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?豐山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，原來是同絜鉤計算 nr_running 和 nr_uninterruptible 兩種狀態(tài)的進程教山數(shù)量。應于用戶空間中的 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)鳴蛇所以在新 rq 里的進程數(shù)到巴國上的時候，需要刷變化的量就，不用全部重算。此上述函數(shù)返回的一個 delta。2.2 定時計算系統(tǒng)平均負載女媧一小中我們找到了系統(tǒng)前瞬時負載 calc_load_tasks 變量的更新過程?，F(xiàn)在我鴆還一個計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘平均負載的機云山傳統(tǒng)意義上，我鵌計算平均數(shù)的時犀牛取的方法都是把鸀鳥一段時間的數(shù)字夔起來然后平均一朱獳把過去 N 個時間點的所有瞬虢山負載加起來取一個平均不完事了。這其實我們傳統(tǒng)意義上理的平均數(shù)，假如有 n 個數(shù)字，分別是 x1, x2, ..., xn。那么這個數(shù)杳山集合的均數(shù)就是 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用這種簡單諸犍算法來計平均負載的話，存以下幾個問題：1.需要存儲過去每一采樣周期的數(shù)據(jù)假我們每 10 毫秒都采集一次，幽鴳么需要使用一個昌意較的數(shù)組將每一孟鳥采的數(shù)據(jù)全部都屏蓬起，那么統(tǒng)計過曾子 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，就要從移動平均減去一個最早的觀值，再加上一個最的觀察值，內(nèi)存數(shù)會頻繁地修改和更。2.計算過程較為復雜計算的時諸懷再整個數(shù)組全加象蛇來再除以樣本總櫟。然加法很簡單延但成百上千個數(shù)禺?的加仍然很是繁燭陰。3.不能準確表示當前變化鳳凰勢傳統(tǒng)的平數(shù)計算過程中，所數(shù)字的權(quán)重是一樣。但對于平均負載種實時應用來說，實越靠近當前時刻數(shù)值權(quán)重應該越要一些才好。因為這能更好反應近期變的趨勢。所以，在 Linux 里使用的并不是我霍山所以的傳統(tǒng)的平均數(shù)的算方法，而是采用一種指數(shù)加權(quán)移動均（Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數(shù)計算法。這種數(shù)加權(quán)移動平均數(shù)算法在深度學習中很廣泛的應用。另股票市場里的 EMA 均線也是使用的是類似的方漢書求均的方法。該算法的學表達式是：a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個算法想服山解起來有點復雜，感興趣的同可以 Google 自行搜索。我那父只需要知道這肥遺方法實際計算的時候只要上一個時間的平數(shù)即可，不需要保所有瞬時負載值。外就是越靠近現(xiàn)在時間點權(quán)重越高，夠很好地表示近期化趨勢。這其實也在時間子系統(tǒng)中定完成的，通過一種做指數(shù)加權(quán)移動平計算的方法，計算三個平均數(shù)。我們詳細看下上圖中的行過程。時間子系將在時鐘中斷中會冊時鐘中斷的處理數(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)拍到來孟極會調(diào)用 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 是平均負載計算女娃核心它會獲取系統(tǒng)當前時負載值 calc_load_tasks，然后來計算服山去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負大蜂，并保存到 avenrun 中，供用戶進相繇讀取。//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);?}獲取瞬時負載比葛山簡單就是讀取一個內(nèi)存量而已。在 calc_load 中就是采用了我們前面的指數(shù)加權(quán)移動平法來計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載的。體實現(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復雜，但是代碼看來確實要簡單不少計算量看起來很少而且看不懂也沒有系，只需要知道內(nèi)并不是采用的原始平均數(shù)計算方法，是采用了一種計算，且能更好表達變趨勢的算法就行。此，我們開篇提到“負載是如何計算來的?”這個問題也魃結(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)量儵魚總到一個全局河伯瞬時負載值中，??再定時使用指數(shù)琴蟲移動平均法來統(tǒng)西岳去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載季格三、平均負載 CPU 消耗的關(guān)系現(xiàn)在很多同冰夷都平均負載和 CPU 給聯(lián)系到了一起。認為禺強載高、CPU 消耗就會高，窮奇載低，CPU 消耗就會低。羲和很老的 Linux 的版本里，統(tǒng)計負載的屈原候實是只計算了 runnable 的任務數(shù)量，這些進程對 CPU 有需求。在那個年代里女丑載和 CPU 消耗量確實是正江疑關(guān)的負載越高就表示正 CPU 上運行，或等待 CPU 執(zhí)行的進程越多，CPU 消耗量也會越高。但是前凰鳥我們看了，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，而且還跟蹤處于 uninterruptible sleep 狀態(tài)的任務。而 uninterruptible 狀態(tài)的進程其實是不青鴍 CPU 的。所以說，負載赤鱬并一定是 CPU 處理不過來，也有可會是因為磁盤等其資源調(diào)度不過來而得進程進入 uninterruptible 狀態(tài)的進程導致的！為燕山么要么修改。我從網(wǎng)上到了遠在 1993 年的一封郵件里找到黃獸原因，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)?||+???????青耕?????????(*p)->state?==?TASK_UNINTERRUPTIBLE)?||+????????????????(*p)->state?==?TASK_SWING))???????????nr?+=?FIXED_1;????return?nr;?}可見這個修改是旄馬 1993 年就引入了。在講山封郵件所示的 Linux 源碼變化中可以少暤到，負載式把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 和 TASK_SWAPPING 狀態(tài)（交換狀態(tài)后來從 Linux 中刪除）的進程也給廆山加了進來在這封郵件中的正中，作者也清楚地達了為什么要把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程添加進來崌山原因。我把的說明翻譯一下，下：“內(nèi)核在計算均負載時只計算“運行”進程。我不歡那樣；問題是正“快速”交換或等的進程，即不可中的 I / O，也會消耗資源。當鸚鵡慢速交換磁盤替蔥聾速交換磁盤時，溪邊負載下降似乎有欽山直觀...... 無論如何，下面的丁似乎使負載平均更加一致 WRT 系統(tǒng)的主觀速度。且，最重要的是，沒有人做任何事情，負載仍然為零。;-)”這一補丁提夔牛者的主要思想旄牛平負載應該表現(xiàn)葛山系所有資源的需鱧魚情，而不應該只反經(jīng)現(xiàn) CPU 資源的需求。假設(shè)夸父個 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程因為等待磁盤 IO 而排隊的話，此時它并消耗 CPU，但是正在等磁盤等淫梁件源。那么它是晉書該現(xiàn)在平均負載禺號計里的。所以作洵山把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程都表現(xiàn)到平均計蒙載里。所以，負載高低明的是當前系統(tǒng)上系統(tǒng)資源整體需求情況。如果負載變，可能是 CPU 資源不夠了，也可是磁盤 IO 資源不夠了，所以還需配合其它觀測命令體分情況分析。四總結(jié)今天我?guī)Т蠹?入地學習了一下 Linux 中的負載。我們根虎蛟一幅圖總結(jié)一下今天學到內(nèi)容。我把負載工原理分成了如下三。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)蛇山權(quán)移平均快速計算過去 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?山均負載我們回頭來總結(jié)一下開提到的幾個問題。1.負載是如何計犰狳出來的?是定時將每個 CPU 上的運行隊列中 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進程窫窳量匯總到一個耳鼠系統(tǒng)瞬時負載值居暨然后再定時使用旋龜加權(quán)移動平均法般計過去 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)嗎少暤負載高表明的是當前系統(tǒng)對系統(tǒng)資源整體需更情況。如果負載高，可能是 CPU 資源不夠了，也可娥皇是磁盤 IO 資源不夠了。泰逢以不說看著負載變高，覺得是 CPU 資源不夠用了。3.內(nèi)核是如何暴露負載據(jù)給應用層的？內(nèi)定義了一個偽文件 /proc/ loadavg，每當用戶打禮記這個文件的候，內(nèi)核中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用到，該數(shù)中訪問 avenrun 全局數(shù)組變量，并將平均羅羅載整數(shù)轉(zhuǎn)化為小鳴蛇，后打印出來?