问题描述

有客户反馈他们的一台ECS周期性地load升高，他们的业务流量并没有上升，需要我们排查是什么原因造成的，是否因为底层异常？

要弄清Linux虚机load高，我们要搞清楚Linux top命令中Load的含义。

Load average的值从何而来

在使用top命令检查系统负载的时候，可以看到Load averages字段，但是这个字段并不是表示CPU的繁忙程度，而是度量系统整体负载。

Load averages采样是从/proc/loadavg中获取的:

0.00 0.01 0.05 1/161 29703

每个值的含义依次为：

• lavg_1 (0.00) 1-分钟平均负载

• lavg_5 (0.01) 5-分钟平均负载

• lavg_15(0.05) 15-分钟平均负载

nr_running (1) 在采样时刻，运行队列的任务的数目，与/proc/stat的procs_running表示相同意思，这个数值是当前可运行的内核调度对象（进程，线程）。

nr_threads (161) 在采样时刻，系统中活跃的任务的个数（不包括运行已经结束的任务），即这个数值表示当前存在系统中的内核可调度对象的数量。

last_pid(29703) 系统最近创建的进程的PID，包括轻量级进程，即线程。

假设当前有两个CPU，则每个CPU的当前任务数为0.00/2=0.00

如果你看到load average数值是10，则表明平均有10个进程在运行或等待状态。有可能系统有很高的负载但是CPU使用率却很低，或者负载很低而CPU利用率很高，因为这两者没有直接关系。

Linux 源码中关于这一块的说明：

static int loadavg_proc_show(struct seq_file *m, void *v)
{
        unsigned long avnrun[3];
        get_avenrun(avnrun, FIXED_1/200, 0);
        seq_printf(m, "%lu.%02lu %lu.%02lu %lu.%02lu %ld/%d %d\n",
                LOAD_INT(avnrun[0]), LOAD_FRAC(avnrun[0]),
                LOAD_INT(avnrun[1]), LOAD_FRAC(avnrun[1]),
                LOAD_INT(avnrun[2]), LOAD_FRAC(avnrun[2]),
                nr_running(), nr_threads,
                task_active_pid_ns(current)->last_pid);
        return 0;
}

Load的计算函数：

static unsigned long
calc_load(unsigned long load, unsigned long exp, unsigned long active)
{
        load *= exp;
        load += active * (FIXED_1 - exp);
        return load >> FSHIFT;
}
/*
 * calc_load - update the avenrun load estimates 10 ticks after the
 * CPUs have updated calc_load_tasks.
 */
void calc_global_load(void)
{
        unsigned long upd = calc_load_update + 10;
        long active;
        if (time_before(jiffies, upd))
                return;
        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;
}

/*
 * 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 */
extern void get_avenrun(unsigned long *loads, unsigned long offset, int shift);
#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) */
#define CALC_LOAD(load,exp,n) \
        load *= exp; \
        load += n*(FIXED_1-exp); \
        load >>= FSHIFT;

从这个函数中可以看到，内核计算load采用的是一种平滑移动的算法，Linux的系统负载指运行队列的平均长度，需要注意的是：可运行的进程是指处于运行队列的进程，不是指正在运行的进程。即进程的状态是TASK_RUNNING或者TASK_UNINTERRUPTIBLE。

Linux内核定义一个长度为3的双字数组avenrun，双字的低11位用于存放负载的小数部分，高21位用于存放整数部分。当进程所耗的 CPU时间片数超过CPU在5秒内能够提供的时间片数时，内核计算上述的三个负载,负载初始化为0。

假设最近1、5、15分钟内的平均负载分别为 load1、load5和load15，那么下一个计算时刻到来时，内核通过下面的算式计算负载：

load1 -= load1 - exp(-5 / 60) -+ n (1 - exp(-5 / 60 ))

load5 -= load5 - exp(-5 / 300) + n (1 - exp(-5 / 300))

load15 = load15 exp(-5 / 900) + n (1 - exp(-5 / 900))

其中，exp(x)为e的x次幂，n为当前运行队列的长度。

如何找出系统中load高时处于运行队列的进程

通过前面的讲解，我们已经明白有可能系统有很高的负载但是CPU使用率却很低，或者负载很低而CPU利用率很高，这两者没有直接关系，如何用脚本统计出来处于运行队列的进程呢？

每隔1s统计一次：

#!/bin/bash
LANG=C
PATH=/sbin:/usr/sbin:/bin:/usr/bin
interval=1
length=86400
for i in $(seq 1 $(expr ${length} / ${interval}));do
date
LANG=C ps -eTo stat,pid,tid,ppid,comm --no-header | sed -e 's/^ \*//' | perl -nE 'chomp;say if (m!^\S*[RD]+\S*!)'
date
cat /proc/loadavg
echo -e "\n"
sleep ${interval}
done

从统计出来的结果可以看到：

at Jan 20 15:54:12 CST 2018
D      958   958   957 nginx
D      959   959   957 nginx
D      960   960   957 nginx
D      961   961   957 nginx
R      962   962   957 nginx
D      963   963   957 nginx
D      964   964   957 nginx
D      965   965   957 nginx
D      966   966   957 nginx
D      967   967   957 nginx
D      968   968   957 nginx
D      969   969   957 nginx
D      970   970   957 nginx
D      971   971   957 nginx
D      972   972   957 nginx
D      973   973   957 nginx
D      974   974   957 nginx
R      975   975   957 nginx
D      976   976   957 nginx
D      977   977   957 nginx
D      978   978   957 nginx
D      979   979   957 nginx
R      980   980   957 nginx
D      983   983   957 nginx
D      984   984   957 nginx
D      985   985   957 nginx
D      986   986   957 nginx
D      987   987   957 nginx
D      988   988   957 nginx
D      989   989   957 nginx
R    11908 11908 18870 ps
Sat Jan 20 15:54:12 CST 2018
25.76 20.60 19.00 12/404 11912

注：R代表运行中的队列，D是不可中断的睡眠进程

在load比较高的时候，有大量的nginx处于R或者D状态，他们才是造成load上升的元凶，和我们底层的负载确实是没有关系的。

最后也给大家share一下查CPU使用率比较高的线程小脚本：

#!/bin/bash
LANG=C
PATH=/sbin:/usr/sbin:/bin:/usr/bin
interval=1
length=86400
for i in $(seq 1 $(expr ${length} / ${interval}));do
date
LANG=C ps -eT -o%cpu,pid,tid,ppid,comm | grep -v CPU | sort -n -r | head -20
date
LANG=C cat /proc/loadavg
{ ps -eT -o%cpu,pid,tid,ppid,comm | sed -e 's/^ *//' | tr -s ' ' | grep -v CPU | sort -n -r | cut -d ' ' -f 1 | xargs -I{} echo -n "{} + " && echo ' 0'; } | bc -l
sleep ${interval}
done
fuser -k $0