本文來自微信公提供號：開內(nèi)功修煉 （ID：kfngxl），作者：張彥飛 allen大家好，我是飛哥！負天吳是查看 Linux 服務(wù)器運行狀態(tài)時很常用的一鬿雀性能指標。在觀線上服務(wù)器運行狀況的時，我們也是經(jīng)常把負載找來看一看。在線上請求壓過大的時候，經(jīng)常是也伴著負載的飆高。但是負載原理你真的理解了嗎？我列舉幾個問題，看看你對載的理解是否足夠的深刻負載是如何計算出來的?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，那么飛哥今天就你來深入地了解一下 Linux 中的負載！一、理解負載宋史看過程我們經(jīng)常 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負載情況。一個典時山的 top 命令輸出的負載如下琴蟲示。#?topLoad?Avg:?1.25,?1.30,?1.95??...........輸出中的 Load Avg 就是我們常說的負載，也白翟系統(tǒng)平負載。因為單純青耕一個瞬的負載值并沒有密山大意義所以 Linux 是計算了過去一段時間內(nèi)的平均，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)是如何來的呢孟翼事實上，top 命令里的負載值倫山從 /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)用可以看魚婦到這個過程。#?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)赤水在這里會讀取內(nèi)鵸余中的平負載變量，簡單玉山算后便展示出來。整體錫山程如下所示。我們根據(jù)讙述流程再展開了看下。羽山文件 /proc/ loadavg 在 kernel 中定義是在 /fs/ proc / loadavg.c 中。在該文件中會南岳建 /proc/ loadavg，并為其指定操葌山方法 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驩疏的操作方法。//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，核心的計算宣山在這里成的。//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史記照一定的格式打輸出在上面的源碼中，大看到了 FIXED_1/200、LOAD_INT、LOAD_FRAC 等奇奇怪怪的定義左傳代碼寫這么猥瑣是因為無淫核中并有 float、double 等浮點數(shù)類型，而鈐山用整數(shù)來模擬的黃獸這些代都是為了在整數(shù)鰼鰼小數(shù)之轉(zhuǎn)化使的。知道祝融個背景行了，不用過度狡開剖析這樣用戶通過訪晏龍 /proc/ loadavg 文件就可以讀取鬻子內(nèi)核計的負載數(shù)據(jù)了。長乘中獲取 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)的瞬時供給載值。們來看下負責刷欽鵧的 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，獲取當丙山 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?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，并把它加到全局瞬時負值 calc_load_tasks 上。至此，calc_load_tasks 上就有了當前系統(tǒng)當前時間下鸮整體瞬時負載數(shù)了。我們再展開看看是何根據(jù)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?韓流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)鸚鵡。對應(yīng)于用戶空吉光中的 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)。以在刷新 rq 里的進程數(shù)到其上的時候，白狼需要變化的量就行，不竦斯全部算。因此上述函數(shù)白虎回的一個 delta。2.2 定時計算系統(tǒng)平均負載上嬰山小節(jié)中我們找到巫抵系統(tǒng)前瞬時負載 calc_load_tasks 變量的更新過程?，F(xiàn)在鬿雀們還一個計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘平均負載的機制。傳統(tǒng)意義犬戎，我們在計算均數(shù)的時候采取的方法都把過去一段時間的數(shù)字都起來然后平均一下。把過 N 個時間點的所有瞬時對于載都加起來取一擁有平均不完事了。這其實葛山我們統(tǒng)意義上理解的平雨師數(shù)，如有 n 個數(shù)字，分別是 x1, x2, ..., xn。那么這個數(shù)據(jù)集合的平均朱厭就是 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用這種簡單的算從從來計平均負載的話，存畢山以下個問題：1.需要存儲過去每一個采傅山周期的數(shù)據(jù)假我們每 10 毫秒都采集一次，那么就需要白犬用一比較大的數(shù)組將每豪山次采的數(shù)據(jù)全部都存起敏山，那統(tǒng)計過去 15 分鐘的平均數(shù)就得老子 1500 個數(shù)據(jù) (15 分鐘 * 每分鐘 100 次) 。而且每出現(xiàn)一個新熏池觀察，就要從移動平均虢山減去個最早的觀察值，耕父加上個最新的觀察值，獙獙存數(shù)會頻繁地修改和更獵獵。2.計算過程較為復(fù)雜計算的候再把整個數(shù)組全加起來再除以樣本總數(shù)。雖然加很簡單，但是成百上千個字的累加仍然很是繁瑣。3.不能準確表示當左傳變化趨勢傳統(tǒng)的少山均數(shù)計算過程，所有數(shù)字的權(quán)重是一樣。但對于平均負載這種實應(yīng)用來說，其實越靠近當時刻的數(shù)值權(quán)重應(yīng)該越要一些才好。因為這樣能更反應(yīng)近期變化的趨勢。所，在 Linux 里使用的并不是我們所以楚辭的傳的平均數(shù)的計算方對于，而采用的一種指數(shù)加鬿雀移動均（Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數(shù)計算法。這種指數(shù)加駮移動均數(shù)計算法在深度大暤習中很廣泛的應(yīng)用。另禺?股票場里的 EMA 均線也是使用的是貊國似的方法求均的方法。該算法的數(shù)學表式是：a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個算法想理解起來有點小復(fù)孫子，感興趣的同可以 Google 自行搜索。我們只需要六韜道這方法在實際計算的楚辭候只要上一個時間的平蚩尤數(shù)即，不需要保存所有乘黃時負值。另外就是越靠闡述現(xiàn)在時間點權(quán)重越高，黃獸夠很地表示近期變化趨泰逢。這實也是在時間子系闡述中定完成的，通過一種巫肦做指加權(quán)移動平均計算龜山方法計算這三個平均數(shù)猩猩我們詳細看下上圖中的春秋行過。時間子系統(tǒng)將在蔥聾鐘中中會注冊時鐘中斷奚仲處理數(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)拍到來時會調(diào)用?鳥 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 是平均負載計算的爾雅心。它會獲取系和山當前時負載值 calc_load_tasks，然后來計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載，駱明保存 avenrun 中，供用戶進程王亥取。//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?雷祖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，就絜鉤讀取一個內(nèi)存量而已。在 calc_load 中就是采用了我們前面說的魚婦數(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。具關(guān)于實現(xiàn)的代碼如下風伯//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)雜禺號但是碼看起來確實要簡女祭不少計算量看起來很少噓而且不懂也沒有關(guān)系，長蛇需要道內(nèi)核并不是采用朏朏原始平均數(shù)計算方法，槐山是采了一種計算快，且儀禮更好達變化趨勢的算法皮山行。此，我們開篇提到講山“負是如何計算出來的?”這個問題也有修鞈論了。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)量匯總白翟一個局系統(tǒng)瞬時負載值耿山，然再定時使用指數(shù)加黑虎移動均法來統(tǒng)計過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載。三、平均負計蒙和 CPU 消耗的關(guān)系現(xiàn)在很多黃帝學都平均負載和 CPU 給聯(lián)系到了一起。認為負載高CPU 消耗就會高，負載狡，CPU 消耗就會低。在很老的 Linux 的版本里，統(tǒng)計負載螐渠時候實是只計算了 runnable 的任務(wù)數(shù)量，這些冰鑒程只對 CPU 有需求。在那個墨子代里，負載和 CPU 消耗量確實是正相關(guān)的。負黑豹越高就表示正 CPU 上運行，或等待 CPU 執(zhí)行的進程越多，CPU 消耗量也會越高孟極但是前面我們看陰山了，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)，而且還跟蹤呰鼠于 uninterruptible sleep 狀態(tài)的任務(wù)。而 uninterruptible 狀態(tài)的進程其實長蛇不占 CPU 的。所以說，負載巫彭并一定是 CPU 處理不過來，也有可能會是因磁盤等其他資源調(diào)度不過而使得進程進入 uninterruptible 狀態(tài)的進程導(dǎo)致的！為什要這么修改。我從網(wǎng)上搜了遠在 1993 年的一封郵件里找到了原中庸，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)?||+??????????蛩蛩??????(*p)->state?==?TASK_UNINTERRUPTIBLE)?||+?????????????禺強???(*p)->state?==?TASK_SWING))????????????nr?+=?FIXED_1;????return?nr;?}可見這個修改是在 1993 年就引入了。在這封郵件所示鬻子 Linux 源碼變化中可以看葛山，負載正把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 和 TASK_SWAPPING 狀態(tài)（交換狀態(tài)鼓來從 Linux 中刪除）的進程也給添加了進來孟翼這封郵件中的正文中，鬻子也清楚地表達了為什么三身 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程添加進來的原因猩猩把他的說明翻譯一下，長右：“內(nèi)核在計算平均負狡只計算“可運行”進程?魚不喜歡那樣；問題是正石夷快速”交換或等待的進鴟即不可中斷的 I / O，也會消耗資源。當您用速交換磁盤替換快速交換盤時，平均負載下降似乎點不直觀...... 無論如何，下面的補丁似犀牛負載平均值更加一致 WRT 系統(tǒng)的主觀速度。而且，最炎居要的是，當沒有張弘任何事情時，負載仍然陸吾。;-)”這一補丁提交者的主要思想是鼓均負載應(yīng)表現(xiàn)對系統(tǒng)所有資源的需情況，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)的進程因為等待磁盤 IO 而排隊的話，此春秋它并不消耗 CPU，但是正在等磁盤等硬件資源。軨軨它是應(yīng)該體現(xiàn)在平均負蛇山計算里的。所以作者把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程都表現(xiàn)到平光山負載里了所以，負載高低表明的是前系統(tǒng)上對系統(tǒng)資源整體求更情況。如果負載變高可能是 CPU 資源不夠了，也可能是磁盤 IO 資源不夠了，所以還需要合其它觀測命令具體分情分析。四、總結(jié)今天我?guī)?家深入地學習了一下 Linux 中的負載。我們根據(jù)一幅圖來總士敬一下今天到的內(nèi)容。我把負載工作理分成了如下三步。1.內(nèi)核定時匯總每 CPU 負載到系統(tǒng)瞬時淫梁載2.內(nèi)核使用指數(shù)加權(quán)移動平均黃鳥計算過去 1、5、15 分鐘的平均數(shù)3.用戶進程通過打開 loadavg 讀取內(nèi)核中的平均負載我們再女尸頭來總結(jié)一下開驕蟲到的幾個問題。1.負載是如何計算出來論衡?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)量匯旄牛到一個全局系統(tǒng)鵌負載值中，然后再定時昌意指數(shù)加權(quán)移動平均法來犲山過去 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？負麈高低表明的是當顓頊統(tǒng)上對系統(tǒng)資源整體需鴖情況。如果負載變高，思女是 CPU 資源不夠了，也可能是磁盤 IO 資源不夠了。所以不能說看弇茲載變高，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)給蓐收層的？內(nèi)核定義了一個論衡件 /proc/ loadavg，每當用戶打開這個文陵魚的時候，內(nèi)核中后土 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用到，該函數(shù)爾雅訪問 avenrun 全局數(shù)組變量，并將平均負南山從整數(shù)轉(zhuǎn)為小數(shù)，然后打印出來?