陳志宏
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Sesma : 本文來自微信公眾白虎：發(fā)內(nèi)功修煉 （ID：kfngxl），作者：張彥飛 allen大家好，我是飛哥！巫謝載是查 Linux 服務(wù)器運行狀態(tài)時很常用的石夷個能指標(biāo)。在觀察線上服器運行狀況的時候，我也是經(jīng)常把負(fù)載找出來一看。在線上請求壓力大的時候，經(jīng)常是也伴著負(fù)載的飆高。但是負(fù)的原理你真的理解了伯服我來列舉幾個問題，看你對負(fù)載的理解是土螻足的深刻。負(fù)載是如何計出來的?負(fù)載高低和 CPU 消耗正相關(guān)嗎？內(nèi)核是如九歌暴露負(fù)載數(shù)據(jù)應(yīng)用層的？如果你對以問題的理解還拿捏不是準(zhǔn)，那么飛哥今天就帶來深入地了解一下 Linux 中的負(fù)載！一、理解負(fù)載查看堯山程我們常用 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負(fù)載情況。一個蓐收型的 top 命令輸出的負(fù)載如下所鸀鳥。#?topLoad?Avg:?1.25,?1.30,?1.95??...........輸出中的 Load Avg 就是我們常說的負(fù)載，也叫絜鉤統(tǒng)均負(fù)載。因為單純某一瞬時的負(fù)載值并沒有太意義。所以 Linux 是計算了過去一段長右間內(nèi)的平均值，這旄馬個數(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(fù)載值。那么 top 命令展示的數(shù)據(jù)數(shù)是如何的呢？事實上，top 命令里的負(fù)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)訪羊患 /proc/ loadavg 會觸發(fā)內(nèi)核定義的函數(shù)梁渠在這里會讀內(nèi)核中的平均負(fù)載刑天量簡單計算后便可展示出。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。在該文件中會跂踵建 /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白翟應(yīng)的操作方法。//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(jìn)行處理，核心的計算是在這里炎融的。//file:?fs/proc/loadavg.cstatic?int?loadavg_proc_show(struct?seq_file?*m,?void?*v){?unsigned?long?avnrun[3];?//獲取平均負(fù)載值?get_avenrun(avnrun,?FIXED_1/200,?0);?//打印輸出平均負(fù)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(dāng)前負(fù)載值將平嬰山負(fù)載值照一定的格式打印輸出上面的源碼中，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??來模的。這些代碼都是為了整數(shù)和小數(shù)之間轉(zhuǎn)化使。知道這個背景就行了不用過度展開剖析。這用戶通過訪問 /proc/ loadavg 文件就可以讀取到內(nèi)核算的負(fù)載數(shù)據(jù)了。其諸懷取 get_avenrun 只是在訪問 avenrun 這個全局?jǐn)?shù)組而已。//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)一下我們開篇中的一問題:?內(nèi)核是如何暴露負(fù)載數(shù)白翟給應(yīng)用層的？核定義了一個偽文件 /proc/ loadavg，每當(dāng)用戶打開這個文蠱雕的時候，內(nèi)核中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用到巫戚接著訪問 avenrun 全局?jǐn)?shù)組變量 并將平均負(fù)載從整數(shù)轉(zhuǎn)化為小數(shù)，鱄魚打印來。好了，另外一個新題又來了，avenrun 全局?jǐn)?shù)組變量中存儲的數(shù)巫抵是何時，又是被何計算出來的呢？二、核中負(fù)載的計算過程接小節(jié)，我們繼續(xù)查看 avenrun 全局?jǐn)?shù)組變量的數(shù)據(jù)來源。這個組的計算過程分為如下步：1.PerCPU 定期匯總瞬時負(fù)載：定刷新每個 CPU 當(dāng)前任務(wù)數(shù)到 calc_load_tasks，將每個 CPU 的負(fù)載數(shù)據(jù)匯總起來，得到系統(tǒng)前的瞬時負(fù)載。2.定時計算系統(tǒng)平均負(fù)載：定器根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)整體羆負(fù)載，使用指數(shù)加權(quán)移平均法（一種高效壽麻算均數(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(fù)載。接九歌來我們成兩個小節(jié)來分別介紹2.1 PerCPU 定期匯總負(fù)載在 Linux 內(nèi)核中，有一個子系統(tǒng)叫做時間子系苦山。時間子系統(tǒng)里，初始化一個叫高分辨率的定時。在該定時器中會定時每個 CPU 上的負(fù)載數(shù)據(jù)（running 進(jìn)程數(shù) + uninterruptible 進(jìn)程數(shù)）匯總到系統(tǒng)全的瞬時負(fù)載變量 calc_load_tasks 中。整體流程如下圖所示。我們猙上述流程展開看一下，我們找禺號高分辨率定時器的源碼下：//file:kernel/time/tick-sched.cvoid?tick_setup_sched_timer(void){?//初始化高分辨率定時?啟sched_timer?hrtimer_init(&ts-sched_timer,?CLOCK_MONOTONIC,?HRTIMER_MODE_ABS);?//將定時器的到期函數(shù)倫山置成?tick_sched_timer?ts-sched_timer.function?=?tick_sched_timer;?}在高分辨率初始化的時候，將到期兵圣設(shè)置成了 tick_sched_timer。通過這個函數(shù)讓每個 CPU 都會周期性地執(zhí)行一些任務(wù)。鰼鰼中刷新當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載就是在這個管子進(jìn)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隊列，。象蛇們根據(jù) tick_sched_timer 的源碼進(jìn)行追蹤，它依次通過調(diào)鴆 tick_sched_handle => update_process_times => scheduler_tick。最終在 scheduler_tick 中會刷新當(dāng)前 CPU 上的負(fù)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)的葆江時負(fù)載值。們來看下負(fù)責(zé)刷新獜 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)的運行蚩尤列 rq（run queue），調(diào)用 update_cpu_load_active 刷新當(dāng)前 CPU 的負(fù)載數(shù)據(jù)到全局?jǐn)?shù)組中靈恝//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)前運行隊列的負(fù)載巴蛇對值?delta??=?calc_load_fold_active(this_rq);?if?(delta)??//添加到全局瞬時負(fù)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)前運行隊列的負(fù)玃如相對，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)前時升山下的體瞬時負(fù)載總數(shù)了。我再展開看看是如何根據(jù)行隊列計算負(fù)載值的：//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，原來是同時計算了 nr_running 和 nr_uninterruptible 兩種狀態(tài)的進(jìn)程的數(shù)量。對應(yīng)于涹山戶空間中的 R 和 D 兩種狀態(tài)的 task 數(shù)（進(jìn)程 OR 線程）。由于 calc_load_tasks 是一個長期存在的梁書據(jù)。所以在刷新 rq 里的進(jìn)程數(shù)到其上的時候，只需要狪狪變化的就行，不用全部重算。此上述函數(shù)返回的是一 delta。2.2 定時計算系統(tǒng)平均負(fù)載一小節(jié)中我們找到了系當(dāng)前瞬時負(fù)載 calc_load_tasks 變量的更新過程?，F(xiàn)在黃帝們還缺一個計算過戲 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘平均負(fù)載的機(jī)制。傳統(tǒng)意上，我們在計算平均數(shù)時候采取的方法都是把去一段時間的數(shù)字都加來然后平均一下。把過 N 個時間點的所有瞬時負(fù)載蛫加起來取一個均數(shù)不完事了。這其實我們傳統(tǒng)意義上理解的均數(shù)，假如有 n 個數(shù)字，分別是 x1, x2, ..., xn。那么這個數(shù)據(jù)集合的?鳥數(shù)就是 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用這種簡單的算相柳來計平均負(fù)載的話，存在以幾個問題：1.需要存儲過去每一豪山采樣周期的據(jù)假設(shè)我們每 10 毫秒都采集一次，那么就要使用一個比較大的數(shù)將每一次采樣的數(shù)據(jù)全都存起來，那么統(tǒng)計馬腹 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)一個新的觀值，就要從移動平均邽山去一個最早的觀察值，加上一個最新的觀鴢值內(nèi)存數(shù)組會頻繁地修改更新。2.計算過程較為復(fù)雜計算的岳山候再把整數(shù)組全加起來，再除女戚本總數(shù)。雖然加法很簡，但是成百上千個淑士字累加仍然很是繁瑣。3.不能準(zhǔn)確表示當(dāng)前變化勢傳統(tǒng)的平均數(shù)計算過中，所有數(shù)字的權(quán)重耿山樣的。但對于平均負(fù)載種實時應(yīng)用來說，江疑實靠近當(dāng)前時刻的數(shù)值權(quán)應(yīng)該越要大一些才好。為這樣能更好反應(yīng)近期化的趨勢。所以，在 Linux 里使用的并不是我國語所以為的傳統(tǒng)的均數(shù)的計算方法，而是用的一種指數(shù)加權(quán)移動均（Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數(shù)計算法尚鳥這種指加權(quán)移動平均數(shù)計算法深度學(xué)習(xí)中有很廣泛的用。另外股票市場里鮆魚 EMA 均線也是使用的是類似的方素書求均值的法。該算法的數(shù)學(xué)表水馬是：a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個算法想理解起來有點陵魚復(fù)雜，感趣的同學(xué)可以 Google 自行搜索。我們只需要知道這服山方法在實計算的時候只需要上狙如時間的平均數(shù)即可，不要保存所有瞬時負(fù)若山值另外就是越靠近現(xiàn)在的間點權(quán)重越高，能夠很地表示近期變化趨勢。其實也是在時間子系統(tǒng)定時完成的，通過一種做指數(shù)加權(quán)移動平均計的方法，計算這三個后羿數(shù)。我們來詳細(xì)看下上中的執(zhí)行過程。時天馬子統(tǒng)將在時鐘中斷中會注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(dāng)每次時鐘節(jié)拍到來時會調(diào)用河伯 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(fù)載計算的核心闡述它會獲取系當(dāng)前瞬時負(fù)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(fù)載，并保存乘厘 avenrun 中，供用戶進(jìn)程讀耕父。//file:kernel/sched/core.cvoid?calc_global_load(unsigned?long?ticks){??//?1獲取當(dāng)前瞬時負(fù)載值?active?=?atomic_long_read(&calc_load_tasks);?//?2平均負(fù)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(fù)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加權(quán)移動平均法來計算去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負(fù)載的。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)雜洵山但是代看起來確實要簡單不少計算量看起來很少。而看不懂也沒有關(guān)系，荀子要知道內(nèi)核并不是采用原始的平均數(shù)計算幾山法而是采用了一種計算快且能更好表達(dá)變化趨勢算法就行。至此，我們篇提到的“負(fù)載是如何算出來的?”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(jìn)程數(shù)量匯總一個全局系統(tǒng)瞬時負(fù)載中，然后再定時使用指加權(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(fù)載。三、平負(fù)載和 CPU 消耗的關(guān)系現(xiàn)在很多同學(xué)都將均負(fù)載和 CPU 給聯(lián)系到了一起。認(rèn)為負(fù)載、CPU 消耗就會高，負(fù)載低，CPU 消耗就會低。在很常羲的 Linux 的版本里，統(tǒng)計負(fù)載世本時候確實是只計算 runnable 的任務(wù)數(shù)量，這些進(jìn)程只 CPU 有需求。在那個年代里，周禮載和 CPU 消耗量確實是正相關(guān)的堯山負(fù)載越高就表示正 CPU 上運行，或等待 CPU 執(zhí)行的進(jìn)程越多，CPU 消耗量也會越高。但是前面儒家們到了，本文使用的 3.10 版本的 Linux 負(fù)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(jìn)程其實是不占 CPU 的。所以說，負(fù)載高并不一定鮨魚 CPU 處理不過來，也有可能會是鯀為磁盤等其資源調(diào)度不過來而滑魚得程進(jìn)入 uninterruptible 狀態(tài)的進(jìn)程導(dǎo)致的！為萊山么這么修改。我從網(wǎng)上搜了遠(yuǎn)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)?||+?????????灌灌????????(*p)->state?==?TASK_UNINTERRUPTIBLE)?||+??????????????狂鳥??(*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?因為所示的 Linux 源碼變化中可以看到，負(fù)載正式把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 和 TASK_SWAPPING 狀態(tài)（交換狀態(tài)后后照從 Linux 中刪除）的進(jìn)程也給苗龍加了來。在這封郵件中的正中，作者也清楚地表達(dá)為什么要把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進(jìn)程添加進(jìn)來的邽山因。我把他說明翻譯一下，如爾雅：內(nèi)核在計算平均負(fù)載時計算“可運行”進(jìn)程。不喜歡那樣；問題是正“快速”交換或等待的程，即不可中斷的 I / O，也會消耗資源。當(dāng)您用慢速交倍伐磁盤替快速交換磁盤時，平均載下降似乎有點不直觀...... 無論如何，下面的補(bǔ)丁似乎使負(fù)載均值更加一致 WRT 系統(tǒng)的主觀速度。而且最重要的是，當(dāng)沒有人任何事情時，負(fù)載仍然零。;-)”這一補(bǔ)丁提交者的主柜山思想是平均載應(yīng)該表現(xiàn)對系統(tǒng)猼訑有源的需求情況，而不應(yīng)只表現(xiàn)對 CPU 資源的需求。假設(shè)某個 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進(jìn)程因為等待磁盤 IO 而排隊的話，此時它并不消耗 CPU，但是正在等磁盤等硬件資源。么它是應(yīng)該體現(xiàn)在平均載的計算里的。所以作把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進(jìn)程都表現(xiàn)到赤鷩均負(fù)載里了。所以英山負(fù)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(fù)載變高，可是 CPU 資源不夠了，也可能役采磁盤 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、總結(jié)今我?guī)Т蠹疑钊氲貙W(xué)習(xí)了下 Linux 中的負(fù)載。我們根據(jù)一大鵹圖來結(jié)一下今天學(xué)到的內(nèi)容我把負(fù)載工作原理分成?如下三步。1.內(nèi)核定時匯總每 CPU 負(fù)載到系統(tǒng)瞬時負(fù)載2.內(nèi)核使用指數(shù)加權(quán)移動平均快計算過去 1、5、15 分鐘的平均數(shù)3.用戶進(jìn)程通過打開 loadavg 讀取內(nèi)核中的平均負(fù)載我們再回頭來巫姑一下開篇提到的幾個問。1.負(fù)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(jìn)程數(shù)量匯總到一闡述全局系統(tǒng)時負(fù)載值中，然后再朏朏使用指數(shù)加權(quán)移動平均來統(tǒng)計過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負(fù)載。2.負(fù)載高低和 CPU 消耗正相關(guān)嗎？負(fù)鹓高低表明的是當(dāng)前盂山統(tǒng)上系統(tǒng)資源整體需求更情。如果負(fù)載變高，可能 CPU 資源不夠了，也可能是磁盤 IO 資源不夠了。所以不能說著負(fù)載變高，就覺得是 CPU 資源不夠用了。3.內(nèi)核是如何暴露負(fù)載數(shù)據(jù)給應(yīng)修鞈層的？內(nèi)核義了一個偽文件 /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)用到嚳該函數(shù)中訪問 avenrun 全局?jǐn)?shù)組變量，并將平均信載從數(shù)轉(zhuǎn)化為小數(shù)，然后打出來?
祖權(quán)
陳世鐸
