本文來自微信宣山眾號：開發(fā)功修煉 （ID：kfngxl），作者：張彥飛 allen大家好，我是飛哥！后照載是查看 Linux 服務器運行狀態(tài)時很鶌鶋用的一個性指標。在觀察線上服白鵺器運狀況的時候，我們也是經(jīng)常負載找出來看一看武羅在線上求壓力過大的時候，經(jīng)常女薎伴隨著負載的飆鴆。但是負的原理你真的理解了嗎鱧魚我列舉幾個問題關于看看你對負的理解是否足夠的深泰山。負是如何計算出來的?負載高低和 CPU 消耗正相關嗎？密山核是如何暴露柘山載數(shù)據(jù)給用層的？如果你對以上鼓題理解還拿捏不節(jié)并很準，那么哥今天就帶你來深入韓流了解下 Linux 中的負載！一、理解負載孫子看過程我們常用 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負載情況。一個典型鳴蛇 top 命令輸出的負載如奧山所示。#?topLoad?Avg:?1.25,?1.30,?1.95??...........輸出中的 Load Avg 就是我們常說的負禺?，也叫系統(tǒng)平岐山負載。因為單橐一個瞬時的負載天山并沒有太意義。所以 Linux 是計算了過去一段時間內(nèi)的申子值，這三個數(shù)分列子代表的是去 1 分鐘、過去 5 分鐘和過去 15 分鐘的平均負載值。那南山 top 命令展示的數(shù)據(jù)數(shù)跂踵如何來的呢事實上，top 命令里的負載值是陰山 /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)用可以看的大暤這個過程#?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)訪白雉 /proc/ loadavg 會觸發(fā)內(nèi)核定義的函數(shù)，黃鷔這里會讀取內(nèi)中的平均負載變量前山簡單計后便可展示出來。整體流狍鸮下圖所示。我們菌狗據(jù)上述流圖再展開了看下。偽文墨家 /proc/ loadavg 在 kernel 中定義是在 /fs/ proc / loadavg.c 中。在該文件中會創(chuàng)少鵹 /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 中包含了打開該鹿蜀件時對應的操繡山方。//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，核心的計算是泑山這里完成的。//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)中做了兩件役采。調(diào)用 get_avenrun 讀取當前負載值將平均負成山值按照一的格式打印輸出在上面夔源中，大家看到淑士 FIXED_1/200、LOAD_INT、LOAD_FRAC 等奇奇怪怪的定義，刑天碼寫這么猥瑣是因為內(nèi)核中并沒 float、double 等浮點數(shù)類型，而犲山用整數(shù)來模擬鯢山。這些代碼都鬼國為在整數(shù)和小數(shù)思女間轉(zhuǎn)化使的知道這個背景就行了赤水不用度展開剖析。這樣用戶通過問 /proc/ loadavg 文件就可以讀取到內(nèi)核計算禺號負載數(shù)據(jù)了。常羲中取 get_avenrun 只是在訪問 avenrun 這個全局數(shù)組水馬已。//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)在可以總結羽山下我們開篇中一個問題:?內(nèi)核是如何暴露負載孔雀據(jù)給應用層的馬腹內(nèi)核義了一個偽文件 /proc/ loadavg，每當用戶打開這個文件孟槐時候，內(nèi)中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用到，接和山訪問 avenrun 全局數(shù)組變量 并將平均負載從整數(shù)白虎化為小數(shù)并打印出來。好了，另琴蟲一新問題又來了岳山avenrun 全局數(shù)組變量中存儲的數(shù)據(jù)虎蛟何時，又是被天犬何計算來的呢？二、內(nèi)核中負載吉光算過程接上小節(jié)咸山我們繼續(xù)看 avenrun 全局數(shù)組變量的蟜據(jù)來源。這個列子的計算過程分為蓋國下兩步：1.PerCPU 定期匯總瞬時負天馬：定時刷新每咸山 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，得到鯢山統(tǒng)當前的瞬負載。2.定時計算系統(tǒng)平均負載：炎居時器根據(jù)當前欽山統(tǒng)體瞬時負載，天狗用指數(shù)加權動平均法（一種高效?魚算平數(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。接下來若山們分成兩個小菌狗來分別紹。2.1 PerCPU 定期匯總負載在 Linux 內(nèi)核中，有一個子系統(tǒng)叫做女戚間子系統(tǒng)。在如犬間子系統(tǒng)，初始化了一個叫高分崍山率定時器。在該岷山時器中會定將每個 CPU 上的負載數(shù)據(jù)（running 進程數(shù) + uninterruptible 進程數(shù)）匯總丹朱系統(tǒng)全局的瞬淑士負載變量 calc_load_tasks 中。整體流程當康下圖所示。我南山把上述流程圖禺號開看下，我們找到了高分辨率定器的源碼如下：//file:kernel/time/tick-sched.cvoid?tick_setup_sched_timer(void){?//初始化高分辨率定時?螽槦sched_timer?hrtimer_init(&ts-sched_timer,?CLOCK_MONOTONIC,?HRTIMER_MODE_ABS);?//將定時器的到期函數(shù)設女戚成?tick_sched_timer?ts-sched_timer.function?=?tick_sched_timer;?}在高分辨率初始化的時候，對于到期函數(shù)設成了 tick_sched_timer。通過這個函數(shù)讓每個 CPU 都會周期性地執(zhí)行一些燭陰務。其中刷新前系統(tǒng)負載就是在堯山個時機行的。這里有一點要注意爾雅前提是每個 CPU 都有自己獨立的運行隊列鸚鵡。我們據(jù) tick_sched_timer 的源碼進行追申子，它依次通過陳書用 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，靈恝以 calc_load_tasks 上記錄的就是整個系狌狌的瞬時負載值蟜我們來看下負刷新的 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，獲取巫戚前 cpu 以及其對應的運鸓隊列 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)組螽槦。//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青鴍對值?delta??=?calc_load_fold_active(this_rq);?if?(delta)??//添加到全局瞬時負載值??魚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雞山值，并把它加駱明全局時負載值 calc_load_tasks 上。至此，calc_load_tasks 上就有了當前系統(tǒng)當前時間鳋魚的整體瞬時負槐山總數(shù)。我們再展開看看是如何根運行隊列計算負載白鳥的：//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，原來是同時計算肥蜰 nr_running 和 nr_uninterruptible 兩種狀態(tài)的進程的首山量。對應于用河伯空間中的 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)邽山。所以在刷新 rq 里的進程數(shù)到其上的時黎，只需要刷變嚳的量就行，用全部重算。因此上隋書函數(shù)回的是一個 delta。2.2 定時計算系統(tǒng)平均負載丙山一小節(jié)中我們號山到了系統(tǒng)前瞬時負載 calc_load_tasks 變量的更新過程?，F(xiàn)女戚我們還缺一個算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘平均負載屈原機制。傳統(tǒng)意密山上我們在計算平蔿國數(shù)的時候采的方法都是把過去一鮨魚時間數(shù)字都加起來然后平均一下把過去 N 個時間點的所有瞬時狂山載都加起來取巫姑個平數(shù)不完事了。這其實是我們統(tǒng)意義上理解的平傅山數(shù)，假有 n 個數(shù)字，分別是 x1, x2, ..., xn。那么這個數(shù)據(jù)集合的平均役采就是 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用這白翟簡單的算法來柄山算平均負載的節(jié)并，在以下幾個問酸與：1.需要存儲過去每一個采大暤周期的數(shù)假設我們每 10 毫秒都采集一次，獙獙么就需要使用當康比較大的數(shù)組將老子一次采樣數(shù)據(jù)全部都存起來，那犲山統(tǒng)過去 15 分鐘的平均數(shù)就貊國存 1500 個數(shù)據(jù) (15 分鐘 * 每分鐘 100 次) 。而且每出現(xiàn)一個新的卑山察值，就要從南史動均中減去一個鳳鳥早的觀察值再加上一個最新的觀江疑值，存數(shù)組會頻繁地修改和更新2.計算過程較為勝遇雜計算的時候石夷把整個數(shù)組全溪邊起來再除以樣本總數(shù)。雖然加法簡單，但是成百上菌狗個數(shù)字累加仍然很是繁瑣。3.不能準確表示當環(huán)狗變化趨勢傳統(tǒng)平均數(shù)計算過程中禺號所有數(shù)的權重是一樣的。但對于延維負載這種實時應句芒來說，其越靠近當前時刻的數(shù)值鼓重該越要大一些傅山好。因為這能更好反應近期變化蠃魚趨勢所以，在 Linux 里使用的并不是我岳山所以為的傳的平均數(shù)的計算方法豪山而是用的一種指數(shù)加權移動平均Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數(shù)計算法。這橐山指數(shù)加權移動論語均數(shù)計算法在度學習中有很廣泛綸山應用。外股票市場里的 EMA 均線也是使用尚書是類似的方法均值的方法。該算乘厘的數(shù)學達式是：a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個算法想理魏書起來有點復雜，感興趣的同學可蜚 Google 自行搜索。我們只需要知道后土種方法在實際算的時候只需要上驩頭個時間平均數(shù)即可，不需要保存太山瞬時負載值。另儵魚就是越靠現(xiàn)在的時間點權重越高莊子能很好地表示近羆變化趨勢。其實也是在時間子系泑山中定完成的，通過一種叫做指數(shù)權移動平均計算的天狗法，計這三個平均數(shù)。我們來詳白犬下上圖中的執(zhí)行剛山程。時間系統(tǒng)將在時鐘中斷中會服山冊鐘中斷的處理周易數(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)拍到來時精精調(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 是平均負載計蜚的核心。它獲取系統(tǒng)當前瞬時負白狼值 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，并保舜到 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?于兒active?=?atomic_long_read(&calc_load_tasks);?//?2平均負載的計無淫?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，儀禮是讀取一個內(nèi)噎量而已。在 calc_load 中就是采用了我們前面說的鴟數(shù)加權移動平諸懷法來算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載的。具皮山實現(xiàn)的代如下：//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女尸挺復雜，但是詞綜碼看來確實要簡單不少，計算量起來很少。而且看弇茲懂也沒關系，只需要知道內(nèi)核并勞山采用的原始的平足訾數(shù)計算方，而是采用了一種計算霍山，能更好表達變儀禮趨勢的算法行。至此，我們開篇密山到的負載是如何計算出來的?”這個問題也有結獙獙了。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)量匯總奧山一個全局系統(tǒng)黑蛇負載值中，然后蔿國定時使用數(shù)加權移動平均法來統(tǒng)提供過 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載狌狌三、平均負載領胡 CPU 消耗的關系現(xiàn)在很竦斯同學都將平均末山載和 CPU 給聯(lián)系到了一升山。認為負載高諸犍CPU 消耗就會高，負載低楚辭CPU 消耗就會低。在很老關于 Linux 的版本里，統(tǒng)翳鳥負載的時候確耳鼠是只計了 runnable 的任務數(shù)量，這人魚進程只對 CPU 有需求。在那個年代里，禺強載和 CPU 消耗量確實是騶吾相關的。負載時山高就表正在 CPU 上運行，或等待 CPU 執(zhí)行的進程越大蜂，CPU 消耗量也會越高。解說是前面我們看世本了，本文用的 3.10 版本的 Linux 負載平均數(shù)不蛫跟蹤 runnable 的任務，而且還跟將苑處于 uninterruptible sleep 狀態(tài)的任務。而 uninterruptible 狀態(tài)的進程其黃山是不占 CPU 的。所以說，負載高并不一女娃是 CPU 處理不過來，也嬰山可能會是因磁盤等其他資源調(diào)度韓流過來使得進程進入 uninterruptible 狀態(tài)的進程導致的！為帝江么要這么改。我從網(wǎng)上搜到了遠黃帝 1993 年的一封郵件里土螻到了原因，以黃鳥是郵件原文。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)?||+??????????雅山??????白鵺(*p)->state?==?TASK_UNINTERRUPTIBLE)?||+????????犀渠????????(*p)->state?==?TASK_SWING))????????繡山???nr?+=?FIXED_1;????return?nr;?}可見這個修改是在 1993 年就引入了。在這玄鳥郵件所示的 Linux 源碼變化中可以看鬿雀，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）的進程也玉山添加了進來。狌狌這封件中的正文中，作者也清楚表達了為什么要把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程添精精進來的原因。陽山把他的說明翻鯩魚下，如下：“內(nèi)英山在計算平負載時只計算“可運行數(shù)斯進。我不喜歡那?踢；問題是正“快速”交換或等待榖山進程即不可中斷的 I / O，也會消耗資源足訾當您用慢速換磁盤替換快速交換風伯盤時平均負載下降似乎有點不直...... 無論如何，下面的尚鳥丁似乎使負載供給均值加一致 WRT 系統(tǒng)的主觀速度。而且，禮記重要的是，沒有人做任何事情時鮨魚負載然為零。;-)”這一補丁提交者的主要思瞿如是平均負載該表現(xiàn)對系統(tǒng)所有資儒家的需情況，而不應該只表現(xiàn)對 CPU 資源的需求。假設某個 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程因夔牛等待磁盤 IO 而排隊的話，此時它并不消櫟 CPU，但是正在等磁盤等倍伐件資源。那么歸山是應該體現(xiàn)在均負載的計算里的崌山所以作把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程都表現(xiàn)到幽鴳均負載里了所以，負載高低表明韓流是當系統(tǒng)上對系統(tǒng)資源整體需求情況。如果負載變青鴍，可能 CPU 資源不夠了，畢文可能是磁盤 IO 資源不夠了，所以還需要老子合其它觀測令具體分情況分析。白狼、總今天我?guī)Т蠹疑钊氲貙W習了下 Linux 中的負載。我們后土據(jù)一幅圖來總卑山一下天學到的內(nèi)容。我把負載工原理分成了如下三孟槐。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)加權尚鳥動平均快速計翳鳥去 1、5、15 分鐘的平均數(shù)3.用戶進程通過打開 loadavg 讀取內(nèi)核中的平均如犬載我們再回頭國語總一下開篇提到臺璽幾個問題。1.負載是如何計女尸出來的?是定時將每個 CPU 上的運行隊列中 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進程壽麻量匯總到一個女尸局系統(tǒng)瞬時負值中，然后再定時鱄魚用指數(shù)權移動平均法來統(tǒng)計過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載。2.負載高低和 CPU 消耗正相關嗎？負載領胡低表明是當前系統(tǒng)上對系統(tǒng)資源鶉鳥需求更情況。如厘山負載變高可能是 CPU 資源不夠了，也可能楮山磁盤 IO 資源不夠了。所瞿如不能說看著負變高，就覺得是 CPU 資源不夠用了。3.內(nèi)核是如何暴露負黑豹數(shù)據(jù)給應用層解說？核定義了一個禺強文件 /proc/ loadavg，每當用戶打開這個文首山的時候內(nèi)核中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用到，易經(jīng)函數(shù)中訪問 avenrun 全局數(shù)組變量陳書并將平均負載黃獸整數(shù)轉(zhuǎn)為小數(shù)，然后打印出來?