技術標籤：linux系統性能

我們在執行top 或者uptime時，會計算當前系統的負載平衡。
當前系統的負載平衡是看我們cpu對於當前執行任務的一個執行情況。同時也判斷我們系統的任務
對於cpu的需求情況。
這句話是對於負載平衡的一個很好的總結：

The CPU percentage shows us how much the cars are using the freeway, but the load averages show us the whole picture, including pent-up demand.

以下是我收集的負載平和的計算方法
負載的檢視

在Linux系統中，使用uptime、w和top命令都可以檢視負載，或者直接通過cat /proc/loadavg檢視。

比如說uptime命令：

20:56:33 up 22 min, 3 users, load average: 0.39, 0.25, 0.10

可以看到有三個值，這三個值分別表示：

前1分鐘系統的平均負載
前5分鐘系統的平均負載
前15分鐘系統的平均負載

下面就來看看負載的含義。
負載的含義

負載的含義是執行佇列的平均長度。

具體而言，對於Linux系統，其統計了最近1分鐘、最近5分鐘、最近15分鐘處於running或者uninterruptible sleep狀態的程序數。

文末參考資料裡給出了一個車道的例子進行類比，這兒就不贅述了。舉幾個例子：

負載為0.5，表示CPU有平均一半的時間是空閒的
負載為1，這時就表示CPU被充分利用了
負載為2，則表示負載過大，有一半的任務在等待CPU執行
 

一般認為負載為0.7是警戒線。
負載與多處理器

對於多處理器，相當於多車道。比如對於雙處理器，那麼負載為2才算滿。 可以簡單地將負載除以CPU核心數換算成單處理的情況。
負載與CPU使用率

文末參考資料中提到：

The CPU percentage shows us how much the cars are using the freeway, but the load averages show us the whole picture, including pent-up demand.

相比於CPU使用率，負載可能展示更多的資訊，即CPU的需求量。
負載和多執行緒

Wikipedia提到在不同的Unix系統中多執行緒負載的計算方式有很多種，比如執行緒與核實體間不同的模型就有所不同。而在Linux系統中每個執行緒應該都是獨立計算的。

我並不瞭解統計學等知識，以下只是個人一些粗淺的理解。

負載計算原理是統計學的EWMA（Exponentially Damped/Weighted Moving Average），利用指數衰減函式遞推出當前序列平均值。

Wikipedia裡提到：

Hence, the 1-minute load average consists of 63% (more precisely: 1 - 1/e) of the load from the last minute and 37% (1/e) of the average load since start up, excluding the last minute. For the 5- and 15-minute load averages, the same 63%/37% ratio is computed over 5 minutes and 15 minutes respectively. Therefore, it's not technically accurate that the 1-minute load average only includes the last 60 seconds of activity (it actually includes 37% of the activity from the past), but it is correct to state that it includes mostly the last minute.

即統計計算出一段時間的負載，其本質是計算均值。比如說：

    要計算——最近x分鐘負載：$la_{-x}$
    假設已知——自系統啟動到x分鐘前的負載為：$la_{+x}$
    假設可以得到——近x分鐘的執行的任務數為：$n_x$

那麼 l a − x = l a + x t i m e s ( e − 1 ) + n x t i m e s ( 1 − e − 1 ) la_{-x} = la_{+x} times (e^{-1}) + n_x times (1-e^{-1}) la−x​=la+x​times(e−1)+nx​times(1−e−1) 即 l a − x = l a + x t i m e s 0.37 + n x t i m e s 0.63 la_{-x} = la_{+x} times 0.37 + n_x times 0.63 la−x​=la+x​times0.37+nx​times0.63

可以看出 x x x分鐘前的負載權重是比較小的，隨著時間的推移前面的資訊影響會越來越小，直到趨近於0，最近時間的資訊影響的比重比較大。

而在Linux系統中，是每間隔 5 H Z 5HZ 5HZ或者 5 秒 5秒 5秒統計一次執行的任務數，然後計算均值。那麼隨著時間推移，可以得出這麼一個序列：

n 1 , n 2 , n 3 , . . . , n t − 1 , n t n_1, n_2, n_3, ..., n_{t-1}, n_t n1​,n2​,n3​,...,nt−1​,nt​

當前時刻 t t t的Moving Average—— m v t mv_t mvt​同樣根據 m v t − 1 mv_{t-1} mvt−1​計算出：

m v t = m v t − 1 t i m e s ( e − l a m b d a ) + n t t i m e s ( 1 − e − l a m b d a ) mv_t = mv_{t-1} times (e^{-lambda}) + n_t times (1-e^{-lambda}) mvt​=mvt−1​times(e−lambda)+nt​times(1−e−lambda)

對於要統計最近1分鐘（60秒）的均值，由於時間間隔為5秒，那麼 l a m b d a lambda lambda的取值應為 f r a c 560 frac 5{60} frac560；同理，最近5分鐘（300秒）的均值， l a m b d a lambda lambda的取值應為 f r a c 5300 frac 5{300} frac5300；最近15分鐘（900秒）的均值， l a m b d a lambda lambda的取值應為 f r a c 5900 frac 5{900} frac5900。

下面來看看Linux中如何實現負載的計算。
負載計算的實現

Linux核心中維護了一個Jiffies變數，記錄自開機一開經歷的Tick數，每次更新Jiffies時系統會呼叫timer.c中的do_timer()；

unsigned long avenrun[3];
static inline void (unsigned long ticks)
{
	unsigned long active_tasks; 
	static int count = LOAD_FREQ;
	count -= ticks;
	if (count < 0) {
		count += LOAD_FREQ;
		active_tasks = count_active_tasks();
		CALC_LOAD(avenrun[0], EXP_1, active_tasks);
		CALC_LOAD(avenrun[1], EXP_5, active_tasks);
		CALC_LOAD(avenrun[2], EXP_15, active_tasks);
	}
}

在sched.h中可以看到上面calc_load()裡一些變數、巨集的定義：

extern unsigned long avenrun[];	/* Load averages */
#define FIXED_1  (1<<FSHIFT)	/* 1.0 as fixed-point */
#define LOAD_FREQ (5*HZ)	/* 5 sec intervals */
#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) */
#define CALC_LOAD(load,exp,n) 
	load *= exp; 
	load += n*(FIXED_1-exp); 
	load >>= FSHIFT;

可以看到，每次Jiffies+1時呼叫calc_load()，並不會馬上統計計算負載資訊，而是等到一個LOAD_FREQ的週期結束，隨後又開始新的LOAD_FREQ週期；

通過呼叫count_active_tasks()可以獲得處於running或者uninterruptible sleep狀態的程序數；

最後執行三次的CALC_LOAD，分別更新統計的1分鐘、5分鐘和15分鐘的負載資訊。

值得一提的就是CALC_LOAD的實現，其本質是將上面的Moving Average計算的式子乘以 2 11 2^{11} 211，最後再除以 2 11 2^{11} 211，採用位運算並且避免了浮點數運算，提高了計算效率。