一文讀懂|Linux系統(tǒng)平均負載

我們經常會使用?top?命令來查看系統(tǒng)的性能情況，在?top?命令的第一行可以看到?load average?這個數據，如下圖所示：

load average?包含 3 列，分別表示 1 分鐘、5 分鐘和 15 分鐘的?系統(tǒng)平均負載。

對于系統(tǒng)平均負載這個數值，可能很多同學并不完全理解其意義，并不知道數值達到多少時才表示系統(tǒng)負載過高。本文將會以簡單的語言來介紹系統(tǒng)平均負載這個概念，并且會介紹 Linux 內核是怎么計算這個數值。

系統(tǒng)平均負載

《Understanding Linux CPU Load（鏈接在文章最后）》這篇文章已經非常通俗的解釋了什么是?系統(tǒng)平均負載，這里借用一下此文中的例子。

如果將 CPU 比作是橋梁，對于單核的 CPU 就好比是單車道的橋梁。每次橋梁只能讓一輛汽車通過，并且要以規(guī)定的速度通過。那么：

• 如果每個時刻都只有一輛汽車通過，那么所有汽車都不用排隊，此時橋梁的使用率最高。以平均負載 1.0 表示，如下圖所示：

• 如果每隔一段時間才有一輛汽車通過，那么表示橋梁部分時間處于空閑的情況。并且間隔的時間越長，表示橋梁空閑率越高。此時的平均負載小于 1.0，如下圖所示：

• 當有大量的汽車通過橋梁時，有些汽車需要等待其他車輛通過后才能繼續(xù)通行，這時表示橋梁超負荷工作。此時平均負載大于1.0，如下圖所示：

系統(tǒng)的平均負載與上面的例子一樣，在單核 CPU 的環(huán)境下：

• 當平均負載等于 1.0 時，表示 CPU 使用率最高。
• 當平均負載小于 1.0 時，表示 CPU 使用率處于空閑狀態(tài)。
• 當平均負載大于 1.0 時，表示 CPU 使用率已經超過負荷。

對于單核 CPU 來說，平均負載 1.0 表示使用率最高。但對于多核 CPU 來說，平均負載要乘以核心數。比如在 4 核 CPU 的系統(tǒng)中，當平均負載為 4.0 時，才表示 CPU 的使用率最高。

Linux 平均負載計算原理

在介紹系統(tǒng)平均負載的計算原理前，先要介紹一下什么是系統(tǒng)負載。在 Linux 系統(tǒng)中，系統(tǒng)負載表示?系統(tǒng)中當前正在運行的進程數量，其包括?可運行狀態(tài)?的進程數和?不可中斷休眠狀態(tài)?的進程數的和。注意：不可中斷休眠狀態(tài)的進程一般是在等待 I/O 完成的進程。

    系統(tǒng)負載 = 可運行狀態(tài)進程數 + 不可中斷休眠狀態(tài)進程數

  

知道了什么是?系統(tǒng)負載，那么?系統(tǒng)平均負載?就容易理解了。比如每 5 秒統(tǒng)計一次系統(tǒng)負載，1 分鐘內會統(tǒng)計 12 次。如下所示：

    第5秒  -> 系統(tǒng)負載
第10秒 -> 系統(tǒng)負載
第15秒 -> 系統(tǒng)負載
...
第60秒 -> 系統(tǒng)負載

  

然后把每次統(tǒng)計到的系統(tǒng)負載加起來，再除以統(tǒng)計次數，即可得出? 系統(tǒng)平均負載 。如下圖所示：

但這種計算方式有些缺陷，就是預測系統(tǒng)負載的準確性不夠高，因為越老的數據越不能反映現在的情況。打個比方，要預測某條公路今天的車流量，使用昨天的數據作為預測依據，會比使用一個月之前的數據作為依據要準確得多。

所以，時間越近的數據，對未來的預測準確性越高。

Linux 內核使用一種名為?指數平滑法?的算法來解決這個問題，指數平滑法的核心思想是對新老數據進行加權，越老的數據權重越低。

指數平滑法：是由 Robert G..Brown 提出的一種加權移動平均法，有興趣了解其數學原理的可以搜索相關資料，本文不作詳細介紹。

其計算公式如下（來源于 Linux 內核代碼 kernel/sched/core.c）：

    load1?=?load0?*?e?+?active?*?(1?-?e)

  

解釋一下上面公式的意思：

• load1：表示時間 t + 1 的系統(tǒng)負載。
• load0：表示時間 t 的系統(tǒng)負載。
• e：表示衰減系數。
• active：表示系統(tǒng)中的活躍進程數（可運行狀態(tài)進程數 + 不可中斷休眠狀態(tài)進程數）。

所以，我們就可以使用上面的公式來預測任何時間的系統(tǒng)平均負載了。比如，我們要預測時間點 n 的系統(tǒng)平均負載，那么可以這樣來計算：

    load1?=?load0?*?e?+?active?*?(1?-?e)
load2?=?load1?*?e?+?active?*?(1?-?e)
load3?=?load2?*?e?+?active?*?(1?-?e)
...
loadn?=?loadn-1?*?e?+?active?*?(1?-?e)

  

現在就只剩下?衰減系數?該如何計算了。

從 Linux 內核的注釋可以了解到，計算 1 分鐘內系統(tǒng)平均負載的?衰減系數?的計算方式如下：

    1 / exp(5sec / 1min)

  

其中：

• 5sec：表示統(tǒng)計的時間間隔，5秒。

• 1min：表示統(tǒng)計的時長，1分鐘。

• exp：表示以自然常數 e 為底的指數函數。

也就是說，要計算一分鐘的系統(tǒng)平均負載時，需要使用上面的?衰減系數。對于 5 分鐘和 15 分鐘的?衰減系數?的計算方式分別為：

    1 / exp(5sec / 5min)
1 / exp(5sec / 15min)

  

Linux 內核已經把 1 分鐘、5 分鐘和 15 分鐘的?衰減系數?結果計算出來，并且定義在?include/linux/sched.h?文件中，如下所示：

    
      #define?EXP_1???????1884????????/*?1/exp(5sec/1min)?as?fixed-point?*/
      
#define?EXP_5???????2014????????/*?1/exp(5sec/5min)?*/
      
#define?EXP_15??????2037????????/*?1/exp(5sec/15min)?*/
      

  

通過上述公式計算出來的?衰減系數?是個浮點數，而在內核中是不能進行浮點數運行的。解決方法是先對?衰減系數?進行擴大，然后在展示時最縮小。所以，上面的?衰減系數?數值是經過擴大 2048 倍后的結果。

Linux 平均負載計算實現

萬事俱備，只欠東風。上面我們已經把所有的知識點介紹了，現在來分析一下 Linux 內核代碼是怎樣實現的。

1. 數據存儲

在 Linux 內核中，使用了?avenrun?數組來存儲 1 分鐘、5 分鐘和 15 分鐘的系統(tǒng)平均負載，如下代碼所示：

    unsigned?long?avenrun[3];

  

如元素?avenrun[0]?用于存儲 1 分鐘內的系統(tǒng)平均負載，而元素?avenrun[1]?用于存儲 5 分鐘的系統(tǒng)平均負載，如此類推。

2. 統(tǒng)計過程

由于統(tǒng)計需要定時進行，所以內核把統(tǒng)計過程放置到?時鐘中斷?中進行。當?時鐘中斷?觸發(fā)時，將會調用?do_timer()?函數，而?do_timer()?函數將會調用?calc_global_load()?來統(tǒng)計系統(tǒng)平均負載。

我們來看看?calc_global_load()?函數的實現：

    void?calc_global_load(unsigned?long?ticks)
{
????long?active,?delta;

????//?1.?如果還沒到統(tǒng)計的時間間隔，那么將不進行統(tǒng)計（5秒統(tǒng)計一次）
????if?(time_before(jiffies,?calc_load_update?+?10))
????????return;

????//?2.?獲取活躍進程數
????delta?=?calc_load_fold_idle();
????if?(delta)
????????atomic_long_add(delta,?&calc_load_tasks);

????active?=?atomic_long_read(&calc_load_tasks);
????active?=?active?>?0???active?*?FIXED_1?:?0;

????//?3.?統(tǒng)計各個時間段系統(tǒng)平均負載
????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);

????//?4.?更新下次統(tǒng)計的時間（增加5秒）
????calc_load_update?+=?LOAD_FREQ;

????...
}

  

calc_global_load()?函數主要完成 4 件事情：

1. 判斷當前時間是否需要進行統(tǒng)計，如果還沒到統(tǒng)計的時間間隔，那么將不進行統(tǒng)計（5秒統(tǒng)計一次）。
2. 獲取活躍進程數（可運行狀態(tài)進程數 + 不可中斷休眠狀態(tài)進程數）。
3. 統(tǒng)計各個時間段系統(tǒng)平均負載（1分鐘、5分鐘和15分鐘）。
4. 更新下次統(tǒng)計的時間（增加5秒）。

從上面的分析可知，calc_global_load()?函數將會調用?calc_load()?來計算系統(tǒng)平均負載。其代碼如下：

    /*
?*?a1?=?a0?*?e?+?a?*?(1?-?e)
?*/
static?unsigned?long
calc_load(unsigned?long?load,?unsigned?long?exp,?unsigned?long?active)
{
????load?*=?exp;
????load?+=?active?*?(FIXED_1?-?exp);
????load?+=?1UL?<<?(FSHIFT?-?1);

????return?load?>>?FSHIFT;
}

  

calc_load()?函數的各個參數意義如下：

• load：t-1?時間點的系統(tǒng)負載。
• exp：衰減系數。
• active：活躍進程數。

可以看出，calc_load()?函數的實現就是按照?指數平滑法?來計算的。

參考文獻：

• 《Understanding Linux CPU Load》https://scoutapm.com/blog/unders> tanding-load-averages
• 《Linux系統(tǒng)平均負載是如何計算的》https://blog.csdn.net/rikeyone/article/details/108309665