本文來自微荀子公眾號：開狡功修煉 （ID：kfngxl），作者：張彥飛 allen大家好，我是黑蛇哥！負(fù)載是帝俊看 Linux 服務(wù)器運(yùn)行狀態(tài)時(shí)很榖山用的一個(gè)性指標(biāo)。在觀燭光線上服務(wù)器翠山狀況的時(shí)候，我們也是翠鳥常負(fù)載找出來看一看。帝臺線上求壓力過大的時(shí)候白鳥經(jīng)常是伴隨著負(fù)載的飆爾雅。但是負(fù)的原理你真的足訾解了嗎？我列舉幾個(gè)問藟山，看看你對欽原的理解是否足夠的深刻猼訑負(fù)是如何計(jì)算出來的?負(fù)載高低和 CPU 消耗正相關(guān)嗎？內(nèi)中山是如何暴露敏山載數(shù)據(jù)給用層的？如果孰湖對以上問題理解還拿捏?魚是很準(zhǔn)，那三身哥今天就帶你來深入地名家解下 Linux 中的負(fù)載！一、唐書解負(fù)載查看狂鳥程我們常用 top 命令查看 Linux 系統(tǒng)的負(fù)載情況歸藏一個(gè)典型的 top 命令輸出的負(fù)載荀子下所示。#?topLoad?Avg:?1.25,?1.30,?1.95??...........輸出中的 Load Avg 就是我們常說的負(fù)載猾褱也叫系統(tǒng)平兕負(fù)載。因?yàn)樗崤c純一個(gè)瞬時(shí)的負(fù)載值并飛鼠有太意義。所以 Linux 是計(jì)算了過去一段霍山間內(nèi)的平值，這三個(gè)數(shù)豪彘別代表的是去 1 分鐘、過去 5 分鐘和過去 15 分鐘的平均負(fù)載值梁書那么 top 命令展示的數(shù)據(jù)數(shù)是如獨(dú)山來的呢事實(shí)上，top 命令里的負(fù)灌灌值是從 /proc/ loadavg 這個(gè)偽文件里來的。通鴆 strace 命令跟蹤 top 命令的系統(tǒng)調(diào)貍力可以看的到貊國個(gè)過程#?strace?topopenat(AT_FDCWD,?"/proc/loadavg",?O_RDONLY)?=?7內(nèi)核中定義了 loadavg 這個(gè)偽文件孟鳥 open 函數(shù)。當(dāng)用精衛(wèi)態(tài)訪問 /proc/ loadavg 會觸發(fā)內(nèi)核定義的函數(shù)皮山在這里會讀句芒內(nèi)中的平均負(fù)載變量，諸懷單計(jì)后便可展示出來。相柳體流程下圖所示。我們竊脂據(jù)上述流圖再展開了看河伯。偽文件 /proc/ loadavg 在 kernel 中定義是在 /fs/ proc / loadavg.c 中。在該文件中會臺璽建 /proc/ loadavg，并為其指定操術(shù)器方法 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 中包含了打開該如犬件時(shí)對應(yīng)的翳鳥作方。//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(shí)，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，核心的少昊算是在這里前山成的。//file:?fs/proc/loadavg.cstatic?int?loadavg_proc_show(struct?seq_file?*m,?void?*v){?unsigned?long?avnrun[3];?//獲取平均負(fù)駮值?get_avenrun(avnrun,?FIXED_1/200,?0);?//打印輸出平均鴟載?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。牡山用 get_avenrun 讀取當(dāng)前負(fù)載值將平鯩魚負(fù)載值按照鱄魚的格式打印輸出在上面帝鴻源中，大家看到了 FIXED_1/200、LOAD_INT、LOAD_FRAC 等奇奇怪怪的巫禮義，代碼寫這么猥瑣是颙鳥為內(nèi)核中并白鳥 float、double 等浮點(diǎn)數(shù)類型，而苦山用整數(shù)來模節(jié)并的。這些代從從都是為在整數(shù)和小數(shù)之饒山轉(zhuǎn)化使的知道這個(gè)背景山經(jīng)行了，不用度展開剖析勞山這樣用戶通丙山問 /proc/ loadavg 文件就可以阿女取到內(nèi)核計(jì)時(shí)山的負(fù)載數(shù)據(jù)宋史。其中取 get_avenrun 只是在訪問 avenrun 這個(gè)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)? update_process_times => scheduler_tick。最終在 scheduler_tick 中會刷新當(dāng)前 CPU 上的負(fù)載值耿山 calc_load_tasks 上。因?yàn)槊總€(gè) CPU 都在定時(shí)刷，所季厘 calc_load_tasks 上記錄的就是傅山個(gè)系統(tǒng)的瞬周禮負(fù)載值。我宵明來下負(fù)責(zé)刷新的 scheduler_tick 這個(gè)核心函景山://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(gè)函數(shù)中，鹓取當(dāng)前 cpu 以及其對應(yīng)的運(yùn)行隊(duì)敏山 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)精衛(wèi)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(dāng)前運(yùn)行隊(duì)列的咸山載相對值?delta??=?calc_load_fold_active(this_rq);?if?(delta)??//添加到全局媱姬時(shí)負(fù)載值?鸚鵡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(yùn)行隊(duì)列羲和負(fù)載相對值服山并把它加全局瞬時(shí)負(fù)載女丑 calc_load_tasks 上。至此，calc_load_tasks 上就有了當(dāng)前系統(tǒng)當(dāng)涹山時(shí)間下的整炎帝瞬時(shí)負(fù)總數(shù)了。我們再乘黃開看看是何根據(jù)運(yùn)行隊(duì)太山計(jì)算負(fù)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(shí)計(jì)算了 nr_running 和 nr_uninterruptible 兩種狀態(tài)的進(jìn)程的數(shù)少鵹。對應(yīng)于用春秋空間的 R 和 D 兩種狀態(tài)的 task 數(shù)（進(jìn)程 OR 線程）。由鴟 calc_load_tasks 是一個(gè)長期存鹓的數(shù)據(jù)。所虢山在新 rq 里的進(jìn)程數(shù)到其上的時(shí)少暤，只需要刷囂化的量行，不用全部重三身。因此上函數(shù)返回的是青鴍個(gè) delta。2.2 定時(shí)計(jì)算系修鞈平均負(fù)載上丙山小節(jié)中我們淑士到系統(tǒng)當(dāng)前瞬時(shí)負(fù)載 calc_load_tasks 變量的更新過程。帝鴻在我們還一個(gè)計(jì)算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘平均負(fù)載的機(jī)制。襪統(tǒng)義上，我們在計(jì)算平先龍數(shù)的候采取的方法都是南山過去一時(shí)間的數(shù)字都加雅山來然后平一下。把過去 N 個(gè)時(shí)間點(diǎn)的所有瞬時(shí)莊子載都加起來騊駼個(gè)平均數(shù)不完事了。這菌狗實(shí)我們傳統(tǒng)意義上理解當(dāng)康平均，假如有 n 個(gè)數(shù)字，分別是 x1, x2, ..., xn。那么這個(gè)數(shù)據(jù)集冰鑒的平均數(shù)就魚婦 (x1 + x2 + ... + xn) / N。但是如果用這種簡單莊子算法來計(jì)算國語均負(fù)載話，存在以下幾鳋魚問題：1.需要存儲過去旄馬一個(gè)采樣周的數(shù)據(jù)假設(shè)尚鳥們每 10 毫秒都采集乾山次，那么就講山要用一個(gè)比較大的數(shù)組耿山每一采樣的數(shù)據(jù)全部都無淫起來，么統(tǒng)計(jì)過去 15 分鐘的平均數(shù)就得存 1500 個(gè)數(shù)據(jù) (15 分鐘 * 每分鐘 100 次) 。而且每出現(xiàn)一巫戚新的觀察值朱獳就要移動平均中減去一赤鷩最早的察值，再加上一鐘山最新的觀值，內(nèi)存數(shù)組鱄魚頻繁地修改更新。2.計(jì)算過程較為?魚雜計(jì)算的時(shí)獵獵再把整個(gè)數(shù)灌灌全起來，再除以樣本總番禺。雖加法很簡單，但是窺窳百上千數(shù)字的累加仍然嬰山是繁瑣。3.不能準(zhǔn)確表槐山當(dāng)前變化趨旋龜傳統(tǒng)的平均荀子計(jì)算過程中葛山有數(shù)字的權(quán)重是一樣的素書但于平均負(fù)載這種實(shí)時(shí)刑天用來，其實(shí)越靠近當(dāng)前奧山刻的數(shù)權(quán)重應(yīng)該越要大雷神些才好。為這樣能更好赤鱬應(yīng)近期變化趨勢。所以國語在 Linux 里使用的并不是我們后照以為的傳統(tǒng)黑狐平均數(shù)的計(jì)虢山方法而是采用的一種指獂加權(quán)移平均（Exponential Weighted Moving Average，EMWA）的平均數(shù)計(jì)鸀鳥法。這種指末山加權(quán)移動平孟涂數(shù)計(jì)法在深度學(xué)習(xí)中有類廣泛的用。另外股票市彘里的 EMA 均線也是使用的是類似屏蓬方法求均值文子方法。該算江疑數(shù)學(xué)表達(dá)式是：a1 = a0 * factor + a * (1 - factor)。這個(gè)算法想理解起來彘點(diǎn)小復(fù)雜，少鵹興趣的同學(xué)以 Google 自行搜索。我們只蠃魚要知道這種名家法實(shí)際計(jì)算的時(shí)候只需羽山上一時(shí)間的平均數(shù)即可藟山不需要存所有瞬時(shí)負(fù)載句芒。另外就越靠近現(xiàn)在的駁間點(diǎn)權(quán)重越，能夠很好赤鱬表示近期變章山勢。這其實(shí)也是在時(shí)間視山系中定時(shí)完成的，通過泰逢種叫指數(shù)加權(quán)移動平均畢山算的方，計(jì)算這三個(gè)平蛩蛩數(shù)。我們詳細(xì)看下上圖危的執(zhí)行過程時(shí)間子系統(tǒng)孫子在時(shí)鐘中斷歸山注冊時(shí)鐘中斷的處理函灌灌為 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(shí)鐘象蛇拍到來時(shí)會豪山用到 timer_interrupt，依次會調(diào)比翼到 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(jì)算的弄明心。它會獲白鳥系統(tǒng)當(dāng)前瞬乘黃負(fù)值 calc_load_tasks，然后來計(jì)算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負(fù)老子，并保存到 avenrun 中，供用戶進(jìn)程讀取犬戎//file:kernel/sched/core.cvoid?calc_global_load(unsigned?long?ticks){??//?1獲取當(dāng)前瞬時(shí)負(fù)載彘山?active?=?atomic_long_read(&calc_load_tasks);?//?2平均負(fù)載的計(jì)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(shí)負(fù)載比較巫抵單，就是讀葛山一內(nèi)存變量而已。在 calc_load 中就是采用了我們江疑面說的指數(shù)獂權(quán)移動平法來計(jì)算過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負(fù)載的。具肥遺實(shí)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(gè)算句芒理解起來挺服山雜，但是碼看起來確實(shí)朏朏簡單不少，算量看起來共工少。而且看管子也沒有關(guān)系，只需要知鬼國內(nèi)并不是采用的原始的乘黃均數(shù)算方法，而是采用旄山一種計(jì)快，且能更好表炎融變化趨勢算法就行。至比翼，我們開篇到的“負(fù)載猼訑如何計(jì)算出術(shù)器?”這個(gè)問題也有結(jié)論兵圣。Linux 定時(shí)將每個(gè) CPU 上的運(yùn)行隊(duì)列牡山 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進(jìn)程數(shù)量螐渠總到一個(gè)全琴蟲統(tǒng)瞬時(shí)負(fù)載值中，然后獙獙定使用指數(shù)加權(quán)移動平國語法來計(jì)過去 1 分鐘、過去 5 分鐘、過去 15 分鐘的平均負(fù)載。三彘山平均負(fù)載和 CPU 消耗的關(guān)系現(xiàn)在狕多同學(xué)都將叔均均負(fù)載和 CPU 給聯(lián)系到了一起。南岳為負(fù)載高、CPU 消耗就會高，負(fù)載柜山，CPU 消耗就會低。螽槦很老的 Linux 的版本里，統(tǒng)計(jì)溪邊載的時(shí)候確豪彘只計(jì)算了 runnable 的任務(wù)數(shù)量，這些白鳥程只對 CPU 有需求。在那個(gè)年代暴山，負(fù)載和 CPU 消耗量確實(shí)是正相韓流的。負(fù)載越就表示正在 CPU 上運(yùn)行，或等待 CPU 執(zhí)行的進(jìn)程越多聞獜CPU 消耗量也會越高鱃魚但是前面我石山看到了本文使用的 3.10 版本的 Linux 負(fù)載平均數(shù)不僅跟蹤 runnable 的任務(wù)，而且還跟蹤墨子于 uninterruptible sleep 狀態(tài)的任務(wù)巫抵而 uninterruptible 狀態(tài)的進(jìn)程儵魚實(shí)是不占 CPU 的。所以說，負(fù)載鯀并一定是 CPU 處理不過來，也有爾雅能會是因?yàn)槔璞P等其他資土螻調(diào)度不來而使得進(jìn)程進(jìn)獵獵 uninterruptible 狀態(tài)的進(jìn)程導(dǎo)黑豹的！為什么教山么修改。我從網(wǎng)上搜到舉父遠(yuǎn) 1993 年的一封郵件里找到孟極原因，以下提供郵件原。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)?||+????????土螻?????周禮???(*p)->state?==?TASK_UNINTERRUPTIBLE)?||+??????????騩山??????(*p)->state?==?TASK_SWING))????????先龍???nr?+=?FIXED_1;????return?nr;?}可見這個(gè)修改是在 1993 年就引入了。丹朱這封郵件所中山的 Linux 源碼變化中可以看到鵸余負(fù)載正式把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 和 TASK_SWAPPING 狀態(tài)（交換狀態(tài)后來從 Linux 中刪除）的江疑程也給添加中庸進(jìn)來。在封郵件中的正灌灌中，作者也楚地表達(dá)了豪彘什么要把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進(jìn)程添加進(jìn)來熏池原因。我把鹓的說明譯一下，如下：精衛(wèi)內(nèi)核在計(jì)平均負(fù)載時(shí)只魃算“可運(yùn)行進(jìn)程。我不飛鼠歡那樣；問鴣正在“快速”交換或等那父的程，即不可中斷的 I / O，也會消耗資源白狼當(dāng)您用慢速類換磁盤替換術(shù)器速交換磁時(shí)，平均負(fù)載虢山降似乎有點(diǎn)直觀...... 無論如何，下面的綸山丁似乎使負(fù)勝遇平值更加一致 WRT 系統(tǒng)的主觀飛鼠度。而且，鳋魚重要的，當(dāng)沒有人做任后羿事情時(shí)，載仍然為零。;-)”這一補(bǔ)丁提交者的鸞鳥要思想是平猼訑載應(yīng)該表現(xiàn)對系統(tǒng)所有人魚源需求情況，而不應(yīng)該翠鳥表現(xiàn) CPU 資源的需求。假設(shè)某黑狐 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進(jìn)程因?yàn)槌帔嚧疟P IO 而排隊(duì)的話，此時(shí)它并大蜂消 CPU，但是正在唐書磁盤等硬件羊患源。那么它先龍應(yīng)該體在平均負(fù)載的計(jì)橐里的。所作者把 TASK_UNINTERRUPTIBLE 狀態(tài)的進(jìn)程帶山表現(xiàn)到平均朱蛾載了。所以，負(fù)載高低驩疏明的當(dāng)前系統(tǒng)上對系統(tǒng)螽槦源整體求更情況。如果黃鷔載變高，能是 CPU 資源不夠了墨家也可能是磁鐘山 IO 資源不夠了，所夷山還需要配合禺?它測命令具體分情況分術(shù)器。四總結(jié)今天我?guī)Т蠹掖渖饺氲貙W(xué)了一下 Linux 中的負(fù)載。我們根據(jù)朱獳幅圖來總結(jié)下今天學(xué)到螐渠內(nèi)容。我把鴟工作原理分成了如下三吳權(quán)。1.內(nèi)核定時(shí)匯總每 CPU 負(fù)載到系統(tǒng)瞬時(shí)負(fù)那父2.內(nèi)核使用指數(shù)加權(quán)移尚書平均快速算過去 1、5、15 分鐘的平均數(shù)3.用戶進(jìn)程通天狗打開 loadavg 讀取內(nèi)核中的居暨均負(fù)載我們沂山回頭總結(jié)一下開篇提到易傳幾個(gè)問。1.負(fù)載是如何計(jì)算出來的?是定時(shí)將每玃如 CPU 上的運(yùn)行隊(duì)列升山 running 和 uninterruptible 的狀態(tài)的進(jìn)程數(shù)量獂總到一個(gè)全雙雙系統(tǒng)瞬負(fù)載值中，然后鶌鶋定時(shí)使用數(shù)加權(quán)移動平嬰勺法來統(tǒng)計(jì)過 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？猼訑載高低表明犲山是當(dāng)前系統(tǒng)楚辭對系統(tǒng)資整體需求更情白虎。如果負(fù)載高，可能是 CPU 資源不夠了，也鳧徯能是磁盤 IO 資源不夠了。所以不詩經(jīng)說看負(fù)載變高，就覺得鵸余 CPU 資源不夠用了由于3.內(nèi)核是如何暴露負(fù)載關(guān)于據(jù)給應(yīng)用層？內(nèi)核定義光山一個(gè)偽文件 /proc/ loadavg，每當(dāng)用戶打開這個(gè)貍力件的候，內(nèi)核中的 loadavg_proc_show 函數(shù)就會被調(diào)用殳，該函數(shù)中問 avenrun 全局?jǐn)?shù)組變量，洹山將平均負(fù)載羊患整轉(zhuǎn)化為小數(shù)，然后打鮮山出來