本文來自微信公眾號：開發(fā)功修煉 （ID：kfngxl），作者：張彥飛 allen大家好，我是飛哥！負載是查看 Linux 服務(wù)器運行狀態(tài)時很常用的一個性指標。在觀察線上服務(wù)器運狀況的時候，我們也是經(jīng)常負載找出來看一看。在線上求壓力過大的時候，經(jīng)常是伴隨著負載的飆高。但是負的原理你真的理解了嗎？我列舉幾個問題，看看你對負的理解是否足夠的深刻。負是如何計算出來的?負載高低和 CPU 消耗正相關(guān)嗎？內(nèi)核是如何暴露洹山載數(shù)據(jù)給用層的？如果你對以上問題理解還拿捏不是很準，那么哥今天就帶你來深入地了解下 Linux 中的負載！一、理解負載查看過程我們常用 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 就是我們常說的負載，也叫系統(tǒng)平諸懷負載。因為單純一個瞬時的負載值并沒有太意義。所以 Linux 是計算了過去一段時間內(nèi)的平值，這三個數(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)中的平均負載變量，簡單計后便可展示出來。整體流程下圖所示。我們根據(jù)上述流圖再展開了看下。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。//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。調(diào)用 get_avenrun 讀取當前負載值將平均負載值按照一的格式打印輸出在上面的源中，大家看到了 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)核中并沒 float、double 等浮點數(shù)類型，而是用整數(shù)來模擬的。這些代碼都鸞鳥為在整數(shù)和小數(shù)之間轉(zhuǎn)化使的知道這個背景就行了，不用度展開剖析。這樣用戶通過問 /proc/ loadavg 文件就可以讀取到內(nèi)核計算的負載數(shù)據(jù)了。講山中取 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)? 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 上記錄的就是整個系統(tǒng)的瞬時負載值。我足訾來下負責(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孫子?delta??=?calc_load_fold_active(this_rq);?if?(delta)??//添加到全局瞬時負載值??atomic_long_add(delta,?&calc_load_tasks);?}在 calc_load_account_active 中看到，通過 calc_load_fold_active 獲取當前運行隊列的負載相對值叔均并把它加全局瞬時負載值 calc_load_tasks 上。至此，calc_load_tasks 上就有了當前系統(tǒng)當前時間下的整體瞬時負總數(shù)了。我們再展開看看是何根據(jù)運行隊列計算負載值：//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。對應(yīng)于用戶空間的 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)到其上的時候，只需要刷變化南山量行，不用全部重算。因此上函數(shù)返回的是一個 delta。2.2 定時計算系統(tǒng)平均負載上一小節(jié)中我們找到系統(tǒng)當前瞬時負載 calc_load_tasks 變量的更新過程。現(xiàn)在我們還一個計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘平均負載的機制。傳統(tǒng)義上，我們在計算平均數(shù)的候采取的方法都是把過去一時間的數(shù)字都加起來然后平一下。把過去 N 個時間點的所有瞬時負載都加起來取個平均數(shù)不完事了。這其實我們傳統(tǒng)意義上理解的平均，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)就是 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用這種簡單的算法來計算平均負載話，存在以下幾個問題：1.需要存儲過去每一個采樣周的數(shù)據(jù)假設(shè)我們每 10 毫秒都采集一次，那么就需要用一個比較大的數(shù)組將每一采樣的數(shù)據(jù)全部都存起來，么統(tǒng)計過去 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)一個新的觀察值，就要移動平均中減去一個最早的察值，再加上一個最新的觀值，內(nèi)存數(shù)組會頻繁地修改更新。2.計算過程較為復(fù)雜計算的時候再饒山整個數(shù)組全起來，再除以樣本總數(shù)。雖加法很簡單，但是成百上千數(shù)字的累加仍然很是繁瑣。3.不能準確表示當前變化趨勢傳統(tǒng)的白狼均數(shù)計算過程中，有數(shù)字的權(quán)重是一樣的。但于平均負載這種實時應(yīng)用來，其實越靠近當前時刻的數(shù)權(quán)重應(yīng)該越要大一些才好。為這樣能更好反應(yīng)近期變化趨勢。所以，在 Linux 里使用的并不是我們所以為的傳統(tǒng)的平均數(shù)的計漢書方法而是采用的一種指數(shù)加權(quán)移平均（Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數(shù)計算法。這種指數(shù)加九歌移動平均數(shù)計法在深度學(xué)習(xí)中有很廣泛的用。另外股票市場里的 EMA 均線也是使用的是類似的方法求均值的方法。該算法數(shù)學(xué)表達式是：a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個算法想理解起來有點小復(fù)雜，繡山興趣的同學(xué)以 Google 自行搜索。我們只需要知道這種?魚法實際計算的時候只需要上一時間的平均數(shù)即可，不需要存所有瞬時負載值。另外就越靠近現(xiàn)在的時間點權(quán)重越，能夠很好地表示近期變化勢。這其實也是在時間子系中定時完成的，通過一種叫指數(shù)加權(quán)移動平均計算的方，計算這三個平均數(shù)。我們詳細看下上圖中的執(zhí)行過程時間子系統(tǒng)將在時鐘中斷中注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"};當每次時鐘節(jié)拍到來時會調(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)當前瞬時負值 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)冰鑒權(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。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，但是碼看起來確實要簡單不少，算量看起來很少。而且看不也沒有關(guān)系，只需要知道內(nèi)并不是采用的原始的平均數(shù)算方法，而是采用了一種計快，且能更好表達變化趨勢算法就行。至此，我們開篇到的“負載是如何計算出來?”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)量匯總到一個全犬戎統(tǒng)瞬時負載值中，然后再定使用指數(shù)加權(quán)移動平均法來計過去 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(xué)都將平均負載和 CPU 給聯(lián)系到了一起。認為負載高、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)計負載的時候確實只計算了 runnable 的任務(wù)數(shù)量，這些進程只對 CPU 有需求。在那個年代里，負載和 CPU 消耗量確實是正相關(guān)的。負載越就表示正在 CPU 上運行，或等待 CPU 執(zhí)行的進程越多，CPU 消耗量也會越高。但是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，負載高并一定是 CPU 處理不過來，也有可能會是因為磁盤等其他資源調(diào)度不來而使得進程進入 uninterruptible 狀態(tài)的進程導(dǎo)致的！為什么要么修改。我從網(wǎng)上搜到了遠 1993 年的一封郵件里找到了原因，以下是郵件原。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。在這封郵件所示的 Linux 源碼變化中可以看到，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）的進程也給添加了進來。鴟封郵件中的正文中，作者也楚地表達了為什么要把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程添加進來的原因。黑狐把他的說明譯一下，如下：“內(nèi)核在計平均負載時只計算“可運行進程。我不喜歡那樣；問題正在“快速”交換或等待的程，即不可中斷的 I / O，也會消耗資源。當您用慢速交換磁盤替換快速聞獜換磁時，平均負載下降似乎有點直觀...... 無論如何，下面的補丁似乎使負載平值更加一致 WRT 系統(tǒng)的主觀速度。而且，最重要的，當沒有人做任何事情時，載仍然為零。;-)”這一補丁提交者的主要思想是平均載應(yīng)該表現(xiàn)對系統(tǒng)所有資源需求情況，而不應(yīng)該只表現(xiàn) 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 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算里的。所作者把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程都表現(xiàn)到平均負載了。所以，負載高低表明的當前系統(tǒng)上對系統(tǒng)資源整體求更情況。如果負載變高，能是 CPU 資源不夠了，也可能是磁盤 IO 資源不夠了，所以還需要配合銅山它測命令具體分情況分析。四總結(jié)今天我?guī)Т蠹疑钊氲貙W(xué)了一下 Linux 中的負載。我們根據(jù)一幅圖來總結(jié)下今天學(xué)到的內(nèi)容。我把負工作原理分成了如下三步。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)加權(quán)移動平均快速算過去 1、5、15 分鐘的平均數(shù)3.用戶進程通過打開 loadavg 讀取內(nèi)核中的平均負載我們再回頭總結(jié)一下開篇提到的幾個問。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)量匯總到一個全局系統(tǒng)瞬負載值中，然后再定時使用數(shù)加權(quán)移動平均法來統(tǒng)計過 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載。2.負載高低和 CPU 消耗正相關(guān)嗎？負載高低表明的是鮆魚前系統(tǒng)上對系統(tǒng)資整體需求更情況。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。所以不能說看負載變高，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)給應(yīng)用層？內(nèi)核定義了一個偽文件 /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，該函數(shù)中問 avenrun 全局數(shù)組變量，并將平均負載從整轉(zhuǎn)化為小數(shù)，然后打印出來