linux主机load average的概念&&计算过程&&注意事项

最近开发的一个模块需要根据机房各节点的负载情况（如网卡IO、load average等指标）做任务调度，刚开始对Linux机器load average这项指标不是很清楚，经过调研，终于搞清楚了其计算方法和影响因素，作为笔记，记录于此。
1. load average
        当在shell终端键入top命令时，默认情况下，在输出内容的第一行会有load average这项指标值，如下所示：

top - 19:10:32 up 626 days,  4:58,  1 user,  load average: 7.74, 5.62, 6.51
Tasks: 181 total,   8 running, 173 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
Cpu(s):  4.0% us,  0.5% sy,  0.0% ni, 95.4% id,  0.0% wa,  0.0% hi,  0.0% si

同样，输入uptime命令，load average也会被输出：

19:15:10 up 129 days,  5:12, 15 users,  load average: 0.01, 0.09, 0.05    

根据man uptime的说明可知， load average包含的3个值分别表示past 1, 5 and 15 minutes内的系统平均负载。
        那么，这3个值是怎么计算出来的？下面从Linux源码中寻找答案。


2. linux机器load average的计算过程

        wikipedia在对load的解释（
参见这里）中，提到了linux系统对load的计算方法，为亲自验证，我check了linux源码（linux kernel 2.6.9）中的相关代码，自顶向下的验证过程如下。

        在源码树kernel/timer.c文件中，计算系统load的函数代码如下:

// 源码树路径：kernel/timer.c
/*
 * Hmm.. Changed this, as the GNU make sources (load.c) seems to
 * imply that avenrun[] is the standard name for this kind of thing.
 * Nothing else seems to be standardized: the fractional size etc
 * all seem to differ on different machines.
 *
 * Requires xtime_lock to access.
 */
unsigned long avenrun[3];

/*
 * calc_load - given tick count, update the avenrun load estimates.
 * This is called while holding a write_lock on xtime_lock.
 */
static inline void calc_load(unsigned long ticks)
{
	unsigned long active_tasks; /* fixed-point */
	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);
	}
}

从上面的代码可知，定义的数组avenrun[]包含3个元素，分别用于存放past 1, 5 and 15 minutes的load average值。calc_load则是具体的计算函数，其参数ticks表示采样间隔。函数体中，获取当前的活跃进程数（active tasks），然后以其为参数，调用CALC_LOAD分别计算3种load average。
        沿着函数调用链，可以看到count_active_tasks()定义如下（也在kernel/timer.c文件中）：

/*
 * Nr of active tasks - counted in fixed-point numbers
 */
static unsigned long count_active_tasks(void)
{
	return (nr_running() + nr_uninterruptible()) * FIXED_1;
}

由源码可见，count_active_tasks()返回当前的活跃进程数，其中活跃进程包括:1）当前正在运行的进程（nr_running）；2）不可中断的sleeping进程（如正在执行IO操作的被挂起进程）。
        关于nr_running进程和nr_uninterruptible进程的计算方法，可以在源码树kernel/schde.c中看到相关代码：

// 源码树路径：kernel/sched.c
/*
 * nr_running, nr_uninterruptible and nr_context_switches:
 *
 * externally visible scheduler statistics: current number of runnable
 * threads, current number of uninterruptible-sleeping threads, total
 * number of context switches performed since bootup.
 */
unsigned long nr_running(void)
{
	unsigned long i, sum = 0;

	for (i = 0; i < NR_CPUS; i++)
		sum += cpu_rq(i)->nr_running;

	return sum;
}

unsigned long nr_uninterruptible(void)
{
	unsigned long i, sum = 0;

	for_each_cpu(i)
		sum += cpu_rq(i)->nr_uninterruptible;

	return sum;
}

继续沿着函数调用链查看，可在include/linux/sched.h中看到CALC_LOAD的定义：

// 源码树路径：include/linux/sched.h
/*
 * These are the constant used to fake the fixed-point load-average
 * counting. Some notes:
 *  - 11 bit fractions expand to 22 bits by the multiplies: this gives
 *    a load-average precision of 10 bits integer + 11 bits fractional
 *  - if you want to count load-averages more often, you need more
 *    precision, or rounding will get you. With 2-second counting freq,
 *    the EXP_n values would be 1981, 2034 and 2043 if still using only
 *    11 bit fractions.
 */
extern unsigned long avenrun[];		/* Load averages */

#define FSHIFT		11		/* nr of bits of precision */
#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，CALC_LOAD是一个宏定义，load average的值与3个参数相关，但若只考虑某1项指标值（如past 5 minutes的load average），则该值只受当前活跃进程数（active tasks）的影响，而活跃进程数包括两种：当前正在运行的进程和不可中断的挂起进程。
        这符合我的观察结果：三台硬件配置相同的linux机器（8 cup, 16GB memory, 1.8T disk），在当前总进程数相差不多（均为170+）的情况下，其中1台机器有1个普通进程（这里的"普通"是指既非CPU型又非IO型）在运行，其余均sleeping；第2台机器有5个cpu型进程，cpu占用率均达到99%，其余进程sleeping；第3台机器2个进程读写硬盘，其余sleeping。很明显地可以看到：第3台机器的load average指标的3个值均为最大，第2台机器次之，第1台机器的3个值均接近0。

        由此，还可以推断出：与running类型的进程相比，uninterruptible类型的进程（如正在进行IO操作）对系统load的影响较大。（
注：该推断暂无数据或代码支撑，若有误，欢迎指正）

3. 理解load average背后的含义
        上面介绍了load average的概念及linux系统对该指标的计算过程，那么，这个指标值到底怎么解读呢？这篇文章给出了详细且形象的说明，此处不再赘述。

【参考资料】

1. wikipedia: Load (computing) 
2. linux源码（内核版本2.6.9）

3.
Understanding Linux CPU Load - when should you be worried?

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