emmc 负载均衡 负载均衡ucmp

我们在运行top 或者uptime时，会计算当前系统的负载平衡。
当前系统的负载平衡是看我们cpu对于当前执行任务的一个执行情况。同时也判断我们系统的任务
对于cpu的需求情况。
这句话是对于负载平衡的一个很好的总结：

The CPU percentage shows us how much the cars are using the freeway, but the load averages show us the whole picture, including pent-up demand.

以下是我收集的负载平和的计算方法
负载的查看

在Linux系统中，使用uptime、w和top命令都可以查看负载，或者直接通过cat /proc/loadavg查看。

比如说uptime命令：

20:56:33 up 22 min, 3 users, load average: 0.39, 0.25, 0.10

可以看到有三个值，这三个值分别表示：

前1分钟系统的平均负载
前5分钟系统的平均负载
前15分钟系统的平均负载

下面就来看看负载的含义。
负载的含义

负载的含义是运行队列的平均长度。

具体而言，对于Linux系统，其统计了最近1分钟、最近5分钟、最近15分钟处于running或者uninterruptible sleep状态的进程数。

文末参考资料里给出了一个车道的例子进行类比，这儿就不赘述了。举几个例子：

负载为0.5，表示CPU有平均一半的时间是空闲的
负载为1，这时就表示CPU被充分利用了
负载为2，则表示负载过大，有一半的任务在等待CPU执行

一般认为负载为0.7是警戒线。
负载与多处理器

对于多处理器，相当于多车道。比如对于双处理器，那么负载为2才算满。 可以简单地将负载除以CPU核心数换算成单处理的情况。
负载与CPU使用率

文末参考资料中提到：

The CPU percentage shows us how much the cars are using the freeway, but the load averages show us the whole picture, including pent-up demand.

相比于CPU使用率，负载可能展示更多的信息，即CPU的需求量。
负载和多线程

Wikipedia提到在不同的Unix系统中多线程负载的计算方式有很多种，比如线程与核实体间不同的模型就有所不同。而在Linux系统中每个线程应该都是独立计算的。
负载的计算

我并不了解统计学等知识，以下只是个人一些粗浅的理解。

负载计算原理是统计学的EWMA（Exponentially Damped/Weighted Moving Average），利用指数衰减函数递推出当前序列平均值。

Wikipedia里提到：

Hence, the 1-minute load average consists of 63% (more precisely: 1 - 1/e) of the load from the last minute and 37% (1/e) of the average load since start up, excluding the last minute. For the 5- and 15-minute load averages, the same 63%/37% ratio is computed over 5 minutes and 15 minutes respectively. Therefore, it's not technically accurate that the 1-minute load average only includes the last 60 seconds of activity (it actually includes 37% of the activity from the past), but it is correct to state that it includes mostly the last minute.

即统计计算出一段时间的负载，其本质是计算均值。比如说：

要计算——最近x分钟负载：$la_{-x}$
    假设已知——自系统启动到x分钟前的负载为：$la_{+x}$
    假设可以得到——近x分钟的运行的任务数为：$n_x$

那么 $la_{-x} = la_{+x} times (e^{-1}) + n_x times (1-e^{-1})$ 即 $la_{-x} = la_{+x} times 0.37 + n_x times 0.63$

可以看出$x$分钟前的负载权重是比较小的，随着时间的推移前面的信息影响会越来越小，直到趋近于0，最近时间的信息影响的比重比较大。

而在Linux系统中，是每间隔$5HZ$或者$5秒$统计一次运行的任务数，然后计算均值。那么随着时间推移，可以得出这么一个序列：

$n_1, n_2, n_3, ..., n_{t-1}, n_t$

当前时刻$t$的Moving Average——$mv_t$同样根据$mv_{t-1}$计算出：

$mv_t = mv_{t-1} times (e^{-lambda}) + n_t times (1-e^{-lambda})$

对于要统计最近1分钟（60秒）的均值，由于时间间隔为5秒，那么$lambda$的取值应为$frac 5{60}$；同理，最近5分钟（300秒）的均值，$lambda$的取值应为$frac 5{300}$；最近15分钟（900秒）的均值，$lambda$的取值应为$frac 5{900}$。

下面来看看Linux中如何实现负载的计算。
负载计算的实现

Linux内核中维护了一个Jiffies变量，记录自开机一开经历的Tick数，每次更新Jiffies时系统会调用timer.c中的do_timer()；

unsigned long avenrun[3];
static inline void (unsigned long ticks)
{
	unsigned long active_tasks; 
	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);
	}
}

在sched.h中可以看到上面calc_load()里一些变量、宏的定义：

extern unsigned long avenrun[];	/* Load averages */
#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，每次Jiffies+1时调用calc_load()，并不会马上统计计算负载信息，而是等到一个LOAD_FREQ的周期结束，随后又开始新的LOAD_FREQ周期；

通过调用count_active_tasks()可以获得处于running或者uninterruptible sleep状态的进程数；

最后执行三次的CALC_LOAD，分别更新统计的1分钟、5分钟和15分钟的负载信息。

值得一提的就是CALC_LOAD的实现，其本质是将上面的Moving Average计算的式子乘以$2^{11}$，最后再除以$2^{11}$，采用位运算并且避免了浮点数运算，提高了计算效率。