简介：双十一压测过程中，常见的问题之一就是load 飙高，通常这个时候业务上都有受影响，比如服务rt飙高，比如机器无法登录，比如机器上执行命令hang住等等。本文就来说说，什么是load，load是怎么计算的，什么情况下load 会飙高，load飙高是不是必然业务受影响。
作者 | 蒋冲
来源 | 阿里技术公众号
双十一压测过程中，常见的问题之一就是load 飙高，通常这个时候业务上都有受影响，比如服务rt飙高，比如机器无法登录，比如机器上执行命令hang住等等。本文就来说说，什么是load，load是怎么计算的，什么情况下load 会飙高，load飙高是不是必然业务受影响。
一 什么是load我们平时所讲的load，其全称是Linux system load averages ，即linux系统负载平均值。注意两个关键词：一个是“负载”，它衡量的是task（linux 内核中用于描述一个进程或者线程）对系统的需求（CPU、内存、IO等等），第二个关键词是“平均”，它计算的是一段时间内的平均值，分别为 1、5 和 15 分钟值。system load average由内核负载计算并记录在/proc/loadavg 文件中， 用户态的工具（比如uptime，top等等）读的都是这个文件。
我们一般认为：
- 如果load接近0，意味着系统处于空闲状态
- 如果 1min 平均值高于 5min 或 15min 平均值，则负载正在增加
- 如果 1min 平均值低于 5min 或 15min 平均值，则负载正在减少
- 如果它们高于系统 cpu 的数量，那么系统很可能遇到了性能问题（视情况而定）
坦白了不装了，核心算法其实就是指数加权移动平均法（Exponential Weighted Moving Average，EMWA），简单表示就是:
a1 = a0 factor a (1 - factor)，其中a0是上一时刻的值，a1是当前时刻的值，factor是一个系数，取值范围是[0,1]，a是当前时刻的某个指标采样值。
为什么要采用指数移动加权平均法？我个人理解
1、指数移动加权平均法，是指各数值的加权系数随时间呈指数式递减，越靠近当前时刻的数值加权系数就越大，更能反映近期变化的趋势；
2、计算时不需要保存过去所有的数值，这对内核非常重要。
我们来看看，内核是怎么计算load average的，以下简称load。
上面的指数移动平均公式，a1 = a0 e a (1 - e)，具体到linux load的计算，a0是上一时刻的load，a1是当前时刻的load，e是一个常量系数，a 是当前时刻的active的进程/线程数量。
如上一节所述，linux 内核计算了三个load 值，分别是1分钟/5分钟/15分钟 load 。计算这三个load 值时，使用了三个不同的常量系数e，定义如下：
#define EXP_1 1884 /* 1/exp(5sec/1min) */
#define EXP_5 2014 /* 1/exp(5sec/5min) */
#define EXP_15 2037 /* 1/exp(5sec/15min) */
这三个系数是怎么来的呢？公式如下：
- 1884 = 2048/(power(e,(5/(601)))) / e = 2.71828 */
- 2014 = 2048/(power(e,(5/(60*5))))
- 2037 = 2048/(power(e,(5/(60*15))))
其中e=2.71828，其实就是自然常数e，也叫欧拉数（Euler number）。
那为什么是这么个公式呢？其中，5是指每五秒采样一次，60是指每分钟60秒，1、5、15则分别是1分钟、5分钟和15分钟。至于为什么是2048和自然常数e，这里涉及到定点计算以及其他一些数学知识，不是我们研究的重点，暂时不展开讨论。
我们看看内核中实际代码：
/*
* a1 = a0 * e a * (1 - e)
*/
static inline unsigned long
calc_load(unsigned long load, unsigned long exp, unsigned long active)
{
unsigned long newload;
// FIXED_1 = 2048
newload = load * exp active * (FIXED_1 - exp);
if (active >= load)
newload = FIXED_1-1;
return newload / FIXED_1;
}
就是一个很直观的实现。上面代码中，第一个参数就是上一时刻的load， 第二个参数就是常量系数，第三个参数是active的进程/线程数量（包括runnable 和 uninterruptible）。
2 计算流程load的计算分为两个步骤：
1、周期性地更新每个CPU上的rq里的active tasks，包括runnable状态和uninterruptible状态的task，累加到一个全局变量calc_load_tasks。
2、周期性地计算 load，load的计算主要就是基于上述calc_load_tasks 变量。
第一个步骤，每个cpu都必须更新calc_load_tasks，但是第二个步骤只由一个cpu来完成，这个cpu叫tick_do_timer_cpu，由它执行do_timer() -> calc_global_load()计算系统负载。
整体流程如下图所示，在每个tick到来时（时钟中断），执行以下逻辑：
上图中，棕色的calc_global_load_tick函数就是完成第一个步骤的，绿色的calc_global_load 是完成第二个步骤，蓝色的calc_load 就是上一节中描述的核心算法。
这里需要说明的是，calc_global_load 把计算出来的load 值放在一个全局的变量avenrun中，它的定义是unsigned long avenrun[3]，size 是3，用于存放1/5/15分钟的load。 当查看/proc/loadavg的时候，就是从这个avenrun数组中获取数据。
三 load高常见原因从上述load的计算原理可以看出，导致load 飙高的原因，说简单也简单，无非就是runnable 或者 uninterruptible 的task 增多了。但是说复杂也复杂，因为导致task进入uninterruptible状态的路径非常多（粗略统计，可能有400-500条路径）。个人觉得，有些地方有点滥用这个状态了。
本人基于多年的linux 内核开发和疑难问题排查经验，总结了一些经验，以飨读者。
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