雙十一壓測過程中，常見的問題之一就是load 飆高，通常這個時候業務上都有受影響，比如服務rt飆高，比如機器無法登入，比如機器上執行命令hang住等等。本文就來說說，什麼是load，load是怎麼計算的，什麼情況下load 會飆高，load飆高是不是必然業務受影響。
一 什麼是load
我們平時所講的load，其全稱是Linux system load averages ，即linux系統負載平均值。注意兩個關鍵詞：一個是“負載”，它衡量的是task（linux 核心中用於描述一個程序或者執行緒）對系統的需求（CPU、記憶體、IO等等），第二個關鍵詞是“平均”，它計算的是一段時間內的平均值，分別為 1、5 和 15 分鐘值。system load average由核心負載計算並記錄在/proc/loadavg 檔案中， 使用者態的工具（比如uptime，top等等）讀的都是這個檔案。
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2、如果 1min 平均值高於 5min 或 15min 平均值，則負載正在增加；
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3、如果 1min 平均值低於 5min 或 15min 平均值，則負載正在減少；
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4、如果它們高於系統 CPU 的數量，那麼系統很可能遇到了效能問題（視情況而定）。
二 如何計算load
1 核心演算法
坦白了不裝了，核心演算法其實就是指數加權移動平均法（Exponential Weighted Moving Average，EMWA），簡單表示就是:
a1 = a0 * factor + a * (1 – factor)，其中a0是上一時刻的值，a1是當前時刻的值，factor是一個係數，取值範圍是[0,1]，a是當前時刻的某個指標取樣值。
1、指數移動加權平均法，是指各數值的加權係數隨時間呈指數式遞減，越靠近當前時刻的數值加權係數就越大，更能反映近期變化的趨勢；
2、計算時不需要儲存過去所有的數值，這對核心非常重要。
我們來看看，核心是怎麼計算load average的，以下簡稱load。
上面的指數移動平均公式，a1 = a0 * e + a * (1 – e)，具體到linux load的計算，a0是上一時刻的load，a1是當前時刻的load，e是一個常量係數，a 是當前時刻的active的程序/執行緒數量。
如上一節所述，linux 核心計算了三個load 值，分別是1分鐘/5分鐘/15分鐘 load 。計算這三個load 值時，使用了三個不同的常量係數e，定義如下：
#define EXP_1 1884 #define EXP_5 2014 #define EXP_15 2037
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1884 = 2048/(power(e,(5/(60*1)))) /* e = 2.71828 */
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2014 = 2048/(power(e,(5/(60*5))))
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2037 = 2048/(power(e,(5/(60*15))))
其中e=2.71828，其實就是自然常數e，也叫尤拉數（Euler number）。
那為什麼是這麼個公式呢？其中，5是指每五秒取樣一次，60是指每分鐘60秒，1、5、15則分別是1分鐘、5分鐘和15分鐘。至於為什麼是2048和自然常數e，這裡涉及到定點計算以及其他一些數學知識，不是我們研究的重點，暫時不展開討論。
staticinlineunsignedlongcalc_load(unsignedlong load, unsignedlongexp, unsignedlong active){ unsignedlong newload; newload = load * exp + active * (FIXED_1 - exp);if (active >= load) newload += FIXED_1-1;return newload / FIXED_1;}
就是一個很直觀的實現。上面程式碼中，第一個引數就是上一時刻的load， 第二個引數就是常量係數，第三個引數是active的程序/執行緒數量（包括runnable 和 uninterruptible）。
2 計算流程
1、週期性地更新每個CPU上的rq裡的active tasks，包括runnable狀態和uninterruptible狀態的task，累加到一個全域性變數calc_load_tasks。
2、週期性地計算 load，load的計算主要就是基於上述calc_load_tasks 變數。
第一個步驟，每個cpu都必須更新calc_load_tasks，但是第二個步驟只由一個cpu來完成，這個cpu叫tick_do_timer_cpu，由它執行do_timer() -> calc_global_load()計算系統負載。
整體流程如下圖所示，在每個tick到來時（時鐘中斷），執行以下邏輯：
上圖中，棕色的calc_global_load_tick函式就是完成第一個步驟的，綠色的calc_global_load 是完成第二個步驟，藍色的calc_load 就是上一節中描述的核心演算法。
這裡需要說明的是，calc_global_load 把計算出來的load 值放在一個全域性的變數avenrun中，它的定義是unsigned long avenrun[3]，size 是3，用於存放1/5/15分鐘的load。 當檢視/proc/loadavg的時候，就是從這個avenrun陣列中獲取資料。
三 load高常見原因
從上述load的計算原理可以看出，導致load 飆高的原因，說簡單也簡單，無非就是runnable 或者 uninterruptible 的task 增多了。但是說複雜也複雜，因為導致task進入uninterruptible狀態的路徑非常多（粗略統計，可能有400-500條路徑）。個人覺得，有些地方有點濫用這個狀態了。
本人基於多年的linux 核心開發和疑難問題排查經驗，總結了一些經驗，以饗讀者。
1 週期性飆高
曾經有些業務方遇到過load週期性飆高的現象，如果不是因為業務上確實有週期性的峰值，那麼大機率是踩中了核心計算load時的bug。這個bug和核心的load取樣頻率（ LOAD_FREQ）有關，具體細節不展開討論。這個bug在ali2016，ali3000， ali4000中已經修復。
排除這個原因的話，可以接著檢視是否磁碟IO的原因。
2 IO原因
磁碟效能瓶頸
iostat -dx 1 可以檢視所有磁碟的IO 負載情況，當IOPS 或者 BW 高時，磁碟成為效能瓶頸，大量執行緒因為等待IO而處於uninterruptible 狀態，導致load飆高。此時如果用vmstat 檢視，可能會觀察到 b 這一列的數值飆高， cpu iowait 飆高，/proc/stat檔案中的procs_blocked 數值飆高。
雲盤異常
雲盤是虛擬盤，IO路徑長而複雜，比較容易出問題。常見的異常是IO UTIL 100%，avgqu-sz 始終不為0，至少有1 。大家不要誤解，io util 100%並不意味著磁碟很忙，而只意味著這個裝置的請求佇列裡在每次取樣時都發現有未完成的IO請求，所以當某種原因導致IO丟失的話，雲盤就會出現UTIL 100%, 而ECS核心裡的jbd2 執行緒，業務執行緒也會被D住，導致load 飆高。
JBD2 bug
JBD2是ext4 檔案系統的日誌系統，一旦jbd2 核心執行緒由於bug hang住，所有的磁碟IO請求都會被阻塞，大量執行緒進入uninterruptible狀態，導致load 飆高。
3 記憶體原因
記憶體回收
task 在申請記憶體的時候，可能會觸發記憶體回收，如果觸發的是直接記憶體回收，那對效能的傷害很大。當前task 會被阻塞直到記憶體回收完成，新的請求可能會導致task數量增加（比如HSF執行緒池擴容），load 就會飆高。 可以透過tsar –cpu –mem –load -i1 -l 檢視，一般會觀察到sys cpu 飆高，cache 突降等現象。
記憶體頻寬競爭
大家可能只聽說過IO頻寬，網路頻寬，很少注意記憶體頻寬。其實記憶體除了在容量維度有瓶頸，在頻寬層面也有瓶頸，只是這個指標普通的工具觀察不了。我們開發的aprof 工具可以觀察記憶體頻寬競爭，在雙十一保障期間在混部環境大顯神威。
4 鎖
通常是核心某些路徑上的spin_lock會成為瓶頸，尤其是網路的收發包路徑上。可以用perf top -g 檢視到spin_lock的熱點， 然後根據函式地址找到核心的原始碼。 伴隨的現象可能有sys 飆高，softirq 飆高。
另外，採用mutex_lock進行併發控制的路徑上，一旦有task 拿著lock 不釋放，其他的task 就會以TASK_UNINTERRUPTIBLE的狀態等待，也會引起load飆高。但是如果這把鎖不在關鍵路徑上，那麼對業務可能就沒啥影響。
5 user CPU
有些情況下load飆高是業務的正常表現，此時一般表現為user cpu 飆高，vmstat 看到 r 這一列升高，tsar –load -i1 -l 看到runq 升高，檢視proc/pid/schedstats 可能會看到第二個數字也就是sched delay 會增加很快。
四 根因分析大招
1 RUNNABLE 型load飆高分析
如上所述，這種情況，通常是由於業務量的增加導致的，屬於正常現象，但也有是業務程式碼bug導致的，比如長迴圈甚至死迴圈。但無論哪一種，一般都可以透過熱點分析或者叫on cpu分析找到原因。on cpu分析的工具比較多，比如perf，比如阿里自研的ali-diagnose perf等等。
2 UNINTERRUPTIBLE型load飆高分析
所謂UNINTERRUPTIBLE，就是意味著在等，所以我們只要找到等在哪裡，就基本找到原因了。
查詢UNINTERRUPTIBLE狀態程序
UNINTERRUPTIBLE，通常也稱為D狀態，下文就用D狀態來描述。有一些簡單的工具可以統計當前D狀態程序的數量， 稍微複雜一點的工具可以把D狀態程序的呼叫鏈也就是stack輸出。這類工具一般都是從核心提供的proc 檔案系統取數。
檢視/proc/${pid}/stat 以及/proc/${pid}/task/${pid}/stat 檔案，可以判斷哪些task 處於D狀態，如下所示：
第三個欄位就是task的狀態。然後再檢視/proc/${pid}/stack 檔案就可以知道task 等在哪裡。如：
但有時候，D狀態的task 不固定，這會導致抓不到D狀態或者抓到stack的不準確。這時候，就得上另一個終極大招，延遲分析。
延遲分析
延遲分析需要深入核心內部，在核心路徑上埋點取數。所以這類工具的本質是核心probe，包括systemtap，kprobe，ebpf等等。但是probe 技術必須結合知識和經驗才能打造成一個實用的工具。阿里自研的ali-diagnose可以進行各種delay分析，irq_delay, sys_delay, sched_delay, io_delay, load-monitor。
五 總結
linux 核心是一個複雜的併發系統，各模組關係錯綜複雜。但是就load 而言，只要從runnable task和 uninterruptible task兩個維度進行分析，總能找到根源。
