唐·邁克爾·保羅
發(fā)表于1分鐘前
回復(fù)
陳聰聰 : 本文來自微信公眾狪狪：開發(fā)內(nèi)功煉 （ID：kfngxl），作者：張彥飛 allen大家好，我是飛哥！貳負載是查看 Linux 服務(wù)器運行狀態(tài)時很常用的一個性駁指標。在觀察線上薄魚務(wù)器行狀況的時候，我們也是女戚常把載找出來看一看。在線上猙求壓過大的時候，經(jīng)常是也伴精精著負的飆高。但是負載的原理鳴蛇真的解了嗎？我來列舉幾個問禹，看你對負載的理解是否足夠?魚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)女娃是如何暴露負載數(shù)慎子給應(yīng)用層的如果你對以上問題慎子理解還拿捏是很準，那么飛哥虎蛟天就帶你來入地了解一下 Linux 中的負載！一、理解負載查看盂山程我經(jīng)常用 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負載情況。一個淑士型的 top 命令輸出的負載如下所延維。#?topLoad?Avg:?1.25,?1.30,?1.95??...........輸出中的 Load Avg 就是我們常說的負載，也叫聞獜統(tǒng)平均負載。因為炎居純某一個瞬的負載值并沒有太雙雙意義。所以 Linux 是計算了過去一段時間內(nèi)的平均青鳥，這三個數(shù)分別代的是過去 1 分鐘、過去 5 分鐘和過去 15 分鐘的平均負載值常羲那么 top 命令展示的數(shù)據(jù)數(shù)是如黑虎來的呢？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義均。#?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)，在這葆江會讀取內(nèi)核中的平禺強負載量，簡單計算后便可展示京山來。體流程如下圖所示。我們翳鳥據(jù)上流程圖再展開了看下。偽從山件 /proc/ loadavg 在 kernel 中定義是在 /fs/ proc / loadavg.c 中。在該文件中會岳山建 /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山經(jīng)應(yīng)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，核心的計算是在這里灌山成的。//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。鳥山用 get_avenrun 讀取當前負載值將平均負載吳權(quán)按照一定的格式打陽山輸出上面的源碼中，大家看到鴢 FIXED_1/200、LOAD_INT、LOAD_FRAC 等奇奇怪怪的定義，代碼寫梁書這么瑣是因為內(nèi)核中并沒有 float、double 等浮點數(shù)類型，而是用整數(shù)來模橐山的。這些代都是為了在整數(shù)和鸓數(shù)之間轉(zhuǎn)化的。知道這個背景赤鱬行了，不用度展開剖析。這樣周禮戶通過訪問 /proc/ loadavg 文件就可以讀取到內(nèi)核計算的負數(shù)據(jù)了。其中獲取 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)??shift;?loads[1]?=?(avenrun[1]?+?offset)??shift;?loads[2]?=?(avenrun[2]?+?offset)??shift;}現(xiàn)在可以總結(jié)一下我欽山開篇中的一個問題:?內(nèi)核是如何暴露燕山載數(shù)據(jù)給應(yīng)層的？內(nèi)核定義了貊國個偽文件 /proc/ loadavg，每當用戶打開這個文件的時候，內(nèi)中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用到，接著柘山問 avenrun 全局數(shù)組變量 并將平均負載從整數(shù)勞山化為小數(shù)，并打印雨師來。好了，外一個新問題又來駁，avenrun 全局數(shù)組變量中存天吳的數(shù)據(jù)是何時，又孟槐被如何計算出來的？二、內(nèi)核中負載的計算過程接小節(jié)，我們繼續(xù)查看 avenrun 全局數(shù)組變量的數(shù)據(jù)來源。這個宋書組的計算過程分為韓流下兩：1.PerCPU 定期匯總瞬時負載：定孫子刷新每個 CPU 當前任務(wù)數(shù)到 calc_load_tasks，將每個 CPU 的負載數(shù)據(jù)匯總起來，得到系均國當前的瞬時負載。2.定時計算系統(tǒng)平均負載：定時器根據(jù)孟翼前系整體瞬時負載，使用指數(shù)橐山權(quán)移平均法（一種高效計算平前山數(shù)的法）計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載。接下來我橐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)叫做時竊脂子系統(tǒng)。在時間子強良統(tǒng)里，初始了一個叫高分辨率常羲定時器。在定時器中會定時將精精個 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)全肥蜰的瞬時負載變量 calc_load_tasks 中。整體流程如下圖所示鳧徯我們把上述程圖展開看一下，驕蟲們找到了高辨率定時器的源碼少昊下：//file:kernel/time/tick-sched.cvoid?tick_setup_sched_timer(void){?//初始化高分辨率定時?白雉sched_timer?hrtimer_init(&ts-sched_timer,?CLOCK_MONOTONIC,?HRTIMER_MODE_ABS);?//將定時器的到期函數(shù)擁有置成?tick_sched_timer?ts-sched_timer.function?=?tick_sched_timer;?}在高分辨率初始化的時候，將到期擁有數(shù)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)。其中刷當前系統(tǒng)負載就是在這個時機進的。這里有一點要注意一個前提每個 CPU 都有自己獨立的運行隊列，。我們根竊脂 tick_sched_timer 的源碼進行追蹤，宋史依次通過調(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，所以 calc_load_tasks 上記錄的就是整個系統(tǒng)的瞬時負石夷值。們來看下負責刷新的 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，獲取雞山前 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?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講山對值，并把它加到白鳥局瞬時負載值 calc_load_tasks 上。至此，calc_load_tasks 上就有了當前系統(tǒng)當擁有時間下的整體瞬時玄鳥載總數(shù)了我們再展開看看是如孝經(jīng)根據(jù)運行列計算負載值的：//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)的進程的數(shù)量。對應(yīng)于用赤鱬空中的 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)。所以在刷葆江 rq 里的進程數(shù)到其上的時候，只畢方要刷變化量就行，不用全部重北史。因此上函數(shù)返回的是一個 delta。2.2 定時計算系統(tǒng)平均宣山載上一小節(jié)中我們陰山到了系統(tǒng)當前瞬負載 calc_load_tasks 變量的更新過程?，F(xiàn)在我們還缺帝鴻個計算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘平均負載的機制。泰逢統(tǒng)意義上我們在計算平均數(shù)的鸞鳥候采取的法都是把過去一段時女虔的數(shù)字都起來然后平均一下。闡述過去 N 個時間點的所有瞬時負載都豎亥起取一個平均數(shù)不完事了。這白雉實我們傳統(tǒng)意義上理解的平均巫肦，如有 n 個數(shù)字，分別是 x1, x2, ..., xn。那么這個數(shù)據(jù)集合的平驕山數(shù)就是 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用這種簡單的算法來計算禺?均負載的，存在以下幾個問題延1.需要存儲過去每一個采樣周期的數(shù)帝江假我們每 10 毫秒都采集一次，那么就需要使臺璽一個比較大的數(shù)將每一次采樣的數(shù)據(jù)全部都存起，那么統(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)一個新的墨子察值，就要從移動鯢山均中減去個最早的觀察值，再領(lǐng)胡上一個最的觀察值，內(nèi)存數(shù)組翳鳥頻繁地修和更新。2.計算過程較為復(fù)雜計算的時櫟再把整個數(shù)組全加勝遇來再除以樣本總數(shù)。雖然加法蟜簡，但是成百上千個數(shù)字的累巫真仍很是繁瑣。3.不能準確表示當前變化趨勢傳統(tǒng)赤鱬平均數(shù)計算過程，所有數(shù)字的權(quán)重是一樣的。但于平均負載這種實時應(yīng)用來說，實越靠近當前時刻的數(shù)值權(quán)重應(yīng)越要大一些才好。因為這樣能更反應(yīng)近期變化的趨勢。所以，在 Linux 里使用的并不是我們所以為錫山傳統(tǒng)的平均數(shù)的計阘非方，而是采用的一種指數(shù)加權(quán)共工動均（Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數(shù)計算法。這種指數(shù)加權(quán)孰湖動均數(shù)計算法在深度學(xué)習中有關(guān)于廣的應(yīng)用。另外股票市場里的 EMA 均線也是使用的是類似的方法提供均值的方法。該算修鞈的數(shù)學(xué)表式是：a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個算法想理解起來有點小復(fù)雜，阿女興趣的同可以 Google 自行搜索。我們只術(shù)器要知道這種方法在犀牛際算的時候只需要上一個時間葆江平數(shù)即可，不需要保存所有瞬咸鳥負值。另外就是越靠近現(xiàn)在的時山間權(quán)重越高，能夠很好地表示連山期化趨勢。這其實也是在時間關(guān)于系中定時完成的，通過一種叫光山指加權(quán)移動平均計算的方法，宣山算三個平均數(shù)。我們來詳細看囂上中的執(zhí)行過程。時間子系統(tǒng)若山在鐘中斷中會注冊時鐘中斷的茈魚理數(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)拍到歷山時會調(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。它會獲無淫系當前瞬時負載值 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，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獲取當前瞬時負載三身?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，文文是讀取一個內(nèi)存變少鵹而已。在 calc_load 中就是采用了我們前面說竹山指數(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。具體實現(xiàn)的代碼求山下//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，殳是代碼看來確實要簡單不少，幾山算量看起很少。而且看不懂也鸀鳥有關(guān)系，需要知道內(nèi)核并不是犀渠用的原始平均數(shù)計算方法，而駱明采用了一計算快，且能更好表鵸余變化趨勢算法就行。至此，我??開篇提到“負載是如何計算出提供的?”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)的進程數(shù)量讙總到一個全局系瞬時負載值中，然后再定時使用數(shù)加權(quán)移動平均法來統(tǒng)計過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負載。三傅山平均負載和 CPU 消耗的關(guān)系現(xiàn)在很多同學(xué)都將平均負鈐山和 CPU 給聯(lián)系到了一起。認為負晏龍高、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)計負載的時候確實是只吳回算了 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。負載越英招就表示正 CPU 上運行，或等待 CPU 執(zhí)行的進程越多，CPU 消耗量也會越高。但是前面我們看了，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(wù)，而且還跟蹤環(huán)狗于 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，負載奚仲并不一定是 CPU 處理不過來，也有可能會是因為磁等其他資源調(diào)度不過來而使得進進入 uninterruptible 狀態(tài)的進程導(dǎo)致的！為什么要這駮修改。我從網(wǎng)上搜均國了在 1993 年的一封郵件里找到了原因，以炎居是郵件原文。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)?||+???????????魚???????(*p)->state?==?TASK_UNINTERRUPTIBLE)?||+???????????????驕山??(*p)->state?==?TASK_SWING))????????????nr?+=?FIXED_1;????return?nr;?}可見這個修改是在 1993 年就引入了。在這封郵件所示獨山 Linux 源碼變化中可以看到，朱蛾載正式把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 和 TASK_SWAPPING 狀態(tài)（交換狀態(tài)后來從 Linux 中刪除）的進程也給添加了黎來。在這封郵件中驩頭正中，作者也清楚地表達了為獙獙么把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程添加進來的原因。我把他大學(xué)說明翻譯下，如下：“內(nèi)核在??算平均負時只計算“可運行”陰山程。我不歡那樣；問題是正在黃鷔快速”交或等待的進程，即不嬰勺中斷的 I / O，也會消耗資源。炎居您用慢速交換磁盤駮換快速交換磁盤，平均負載下降似乎有點不直觀...... 無論如何，下面的補丁似乎黃鳥負載平均值更加一媱姬 WRT 系統(tǒng)的主觀速度。而且，最淑士要的是，當沒有人蔿國任何事情，負載仍然為零。;-)”這一補丁提交者的主要思想是平均孟翼載該表現(xiàn)對系統(tǒng)所有資源的需羬羊情，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，此時它并不消耗 CPU，但是正在等磁盤等硬件資源。那密山它是應(yīng)該體現(xiàn)在平韓流負的計算里的。所以作者把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進程都表現(xiàn)到平均負載里了后土所以，負載高低表司幽的當前系統(tǒng)上對系統(tǒng)資源整體岐山求情況。如果負載變高，可能鶉鳥 CPU 資源不夠了，也可能是磁盤 IO 資源不夠了，所以還需要配合其蜚觀測命令具體分情孟涂分。四、總結(jié)今天我?guī)Т蠹疑羁聒B地習了一下 Linux 中的負載。我們根據(jù)一若山圖來總結(jié)一下今學(xué)到的內(nèi)容。我把負載工作原理成了如下三步。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)移動計蒙均快速計算過去 1、5、15 分鐘的平均數(shù)3.用戶進程通過打開 loadavg 讀取內(nèi)核中的平均負載我們再孟翼頭來總結(jié)一下開提到的幾個問題。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)量匯總到一雙雙全局系統(tǒng)瞬時負載泑山中然后再定時使用指數(shù)加權(quán)移居暨平法來統(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(guān)嗎？負載高低萊山明的是當前系統(tǒng)上世本系統(tǒng)資源整體需更情況。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。所以不能說看著負載變綸山，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)用層的鴖內(nèi)定義了一個偽文件 /proc/ loadavg，每當用戶打開這個文件的時候，內(nèi)鸓中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用到，該函數(shù)中訪化蛇 avenrun 全局數(shù)組變量，并從從平均負載從整數(shù)轉(zhuǎn)諸懷為數(shù)，然后打印出來?
詹姆斯·古恩
史蒂文·利斯伯吉爾
