Linux系统平均负载是如何计算的？[通俗易懂]

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关于负载的计算，它的结果是包含有小数的一个浮点数，内核中是不能使用float变量的，那么这里就采用了一个整型变量的低11位来表示小数部分。那么对于数值1来说，它就是FIXED_1，也就是需要对1进行左移11bit。实际上此时这个整型变量保存的值是1024。

cat /proc/loadavg
0.43 0.58 0.65 5/7010 45102

我们通过cat命令查看负载值如上所示，它显示的是带有两个小数表示的一个浮点数，所以最后在输出这个数值时还需要做一个转换，如果从1024个值中得出这100小数部分，实际上也很简单，小学生都会计算，公式如下：

小数部分 = 低11位的值 / 1024  * 100

内核中为了实现这个功能定义了一些宏如下所示：

#define FSHIFT      11      /* nr of bits of precision */
#define FIXED_1     (1<<FSHIFT) /* 1.0 as fixed-point */
#define LOAD_FREQ   (5*HZ+1)    /* 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) */

前面介绍了单位换算的问题，后面就开始真正的主题，对于平均负载，它是如何计算的呢？

首先要先搞清楚这个概念意味着什么，实际上系统负载这个指标表示的是系统中当前正在运行的进程数量，它等于running状态的进程数 + uninterrupt状态的进程数：

load = runing tasks num + uninterrupt tasks num

那么问题来了，这个值一直都是动态变化的每秒钟都不一样，如果我们仅仅是要求平均值，那么能够想到的比较容易算的方式，假如以5秒为采样单位：
…
第5秒 active nr
第10秒 active nr
…
然后每次计算都累加在一起，最后除以采样次数，这样就获取到了一个平均负载值。

这样计算有一个缺点，就是我们获取到的负载值实际上并不能反应当下系统中的负载情况，因为它计算了从系统启动开始以来的平均值，无法反应当下系统的运行情况，因此系统中实际并不是这样计算的，会求最近1min，5min和15min之内的平均值，那么计算方法是怎样的呢？

对于平均算法来说有很多种实现，比如：
（1）可以使用所有数据相加后处于数据个数，缺点是实时性不够好；
（2）也可以去除过时数据，只保存最近的多个数据做加权平均。

前面已经介绍了第一种方式的实现缺点，那么根据平均负载的需求来看，应该要使用第2种方法才行，每次计算时需要丢弃掉1min、5min、和15min之前的数据，记录最近的数据来计算平均值，但是这种算法依然不够好，它维护的数据太多了。

因此内核采用了另外一种维护数据量更少的算法，一次指数平滑法，感兴趣的可以去网上搜索了解更多的信息。

内核在实现时引入了一个衰减系数（小于1的值），利用这个衰减系数，来达到丢弃旧数据的目的。只需要知道衰减因子、上一次计算的平均值、本次采样的值，这三个就可以计算出最新的平均值了。主要原理就是使用一个小数作为衰减系数e，从开始计算的时刻a0开始，不做衰减，那么存在如下公式：

a1 = a0 * e + a * (1 - e)
a2 = a1 * e + a * (1 - e)
a3 = a2 * e + a * (1 - e)
an = an-1 * e + a * (1 - e)

我们来看如何做到的，举个例子，如果衰减系数为0.3，那么每次在计算平均负载时，都会对旧数据乘以衰减系数，也就是上一时刻的数据占比30%，当前数据占比70%，这样就相当于是更能反映当下的系统运行情况了，每次计算周期都进行这个衰减计算，可以想象的到，距离当前2个周期的数据衰减了两次，相当于乘以30%的2次方，反复如此计算下去，那么很久远的采样数据就在当前的计算结果中无限趋近于0了。

内核中的代码实现在：

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

    if (time_before(jiffies, calc_load_update + 10))
        return;

    /* * Fold the 'old' idle-delta to include all NO_HZ cpus. */
    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;

    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);

    calc_load_update += LOAD_FREQ;

    /* * In case we idled for multiple LOAD_FREQ intervals, catch up in bulk. */
    calc_global_nohz();
}

其中的：

1. calc_load_tasks就是上面介绍时所说的runnable进程数量和uninterruptable进程数量之和。因为是SMP系统可能涉及到同步问题，因此采用atomic原子变量来保存。
2. calc_load_update为下次采样时间，每次都需要加5*HZ，因此系统每5秒进行一次更新计算
3. avenrun数组中保存的是1min，5min，15min时间所计算的平均值，实际上就是通过调整衰减因子来达到目的的，衰减因子越小，那么衰减越快。

在calc_load中进行一次指数平滑算法的计算：

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;
}

而更新平均负载是在一个系统周期timer中实现的：

void do_timer(unsigned long ticks)
1576 { 
   
1577     jiffies_64 += ticks;
1578     update_wall_time();
1579     calc_global_load(ticks);
1580 }

计算 calc_load_tasks 的地方：

calc_load_fold_idle()                                       //CPU进入nohz之前会把数据进行保存
calc_load_migrate()-->calc_load_fold_active()               //CPU hotplug时，如果下线CPU需要做记录保存，加入最后更新时计算
calc_load_account_active()-->calc_load_fold_active()        //CPU没有idle，那么会执行定期更新，在每个CPU都会执行这个计算

在计算负载时：
1.每个CPU都需要定时更新 calc_load_tasks的数值，该值记录的是所有CPU上可运行和uninterruptable数量的总和（calc_load_account_active）
2.处理idle的情况，进入idle前需要保存（calc_load_fold_idle）
3.处理CPUhotplug情况，下线前需要保存值(calc_load_migrate)

最后根据calc_load_tasks执行一次global平均值计算：

1.timer中触发5HZ周期的平均值计算（calc_global_load）