Linux 中的 Load Average

在 Linux 系統中，Load Averages 通常指的是 system load averages，可以通過 uptime 命令查看：

$ uptime
09:41:46 up 60 days, 15:05, 16 users,  load average: 17.28, 16.55, 17.00

這三個數值分別表示系統在 過去 1 分鐘、5 分鐘和 15 分鐘 內的平均負載。

除了 uptime，也可以直接讀取 /proc/loadavg 文件來獲取同樣的信息。

Load Average 是如何計算的

Load average 經常被誤認為是 CPU 使用率。在某些操作系統中確實如此，但 Linux 的 load average 並不等同於 CPU load。

在 Linux 中，load average 的統計來源主要包括兩部分：

1. 處於就緒隊列（R 狀態）的進程
   表示正在運行或等待 CPU 的進程，反映了對 CPU 的需求。
2. 處於不可中斷睡眠（D 狀態）的進程
   通常表示在等待磁盤 IO、塊設備或某些內核資源。

因此，Linux 的 load average 實際上反映的是：

系統中“需要 CPU 或無法繼續運行”的進程數量的變化趨勢

指數平滑算法

內核在計算平均負載時，並不是簡單地求平均值，而是使用了 指數加權移動平均（Exponential Moving Average, EMA）。

計算公式為：

其中：

• active：當前採樣週期內處於 R/D 狀態的進程數
• ΔT：採樣間隔（Linux 中為 5 秒）
• T：統計窗口時間（1 分鐘、5 分鐘、15 分鐘）

例如：
如果採樣間隔為 5 秒，窗口為 60 秒，則 n = 12。

Linux 內核實現

Linux 內核中對應的實現如下（kernel/sched/loadavg.c）：

#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) */

/*
 * a1 = a0 * e + a * (1 - e)
 */
static inline unsigned long
calc_load(unsigned long load, unsigned long exp, unsigned long active)
{
	unsigned long newload;

	newload = load * exp + active * (FIXED_1 - exp);
	if (active >= load)
		newload += FIXED_1 - 1;

	return newload / FIXED_1;
}

由於內核無法直接使用浮點運算，上述代碼通過 定點數（fixed-point） 來模擬浮點計算。
例如：

#define FSHIFT		11
#define FIXED_1		(1<<FSHIFT)

表示用 11 位小數來保存精度。

EXP_1、EXP_5、EXP_15 分別對應 1 分鐘、5 分鐘和 15 分鐘窗口的指數衰減因子。

該計算邏輯由全局定時器週期性觸發調用：
https://elixir.bootlin.com/linux/v6.18.2/source/kernel/sched/loadavg.c#L351

Load Average 有什麼意義

Load average 非常適合用來觀察 系統負載隨時間的變化趨勢：

• load average 為 0
  系統完全空閒
• 1 分鐘 > 5 分鐘 > 15 分鐘
  系統負載正在上升
• 1 分鐘 < 5 分鐘 < 15 分鐘
  系統負載正在下降
• load average 長期高於 CPU 核心數
  可能存在性能瓶頸（但並非絕對）

為什麼 Load Average 會升高

根據 Brendan Gregg 對 load average 演進歷史的分析，Linux 最初只統計對 CPU 的需求，後來為了反映 磁盤 IO 對系統響應性的影響，引入了對 D 狀態進程的統計。

需要注意的是，D 狀態並不只來自磁盤 IO，例如：

• 等待塊設備 IO
• 獲取內核鎖（如 rwsem_down_read_failed）
• 某些驅動或文件系統操作

因此，load average 升高可能意味着：

1. 大量進程正在消耗 CPU
2. 大量進程在等待 IO
3. 大量進程在內核中阻塞（鎖競爭等）

如何進一步排查 Load Average 升高的原因

可以從以下幾個維度進行分析：

• 每 CPU 利用率：
  • mpstat -P ALL 1
• 進程 / 線程 CPU 使用情況：
  • top
  • pidstat 1
• 線程調度延遲（run queue latency）
  • /proc/PID/schedstats
  • delaystats
  • perf sched
• CPU run queue 延遲
  • /proc/schedstat
  • perf sched
  • runqlat（BCC）
• CPU run queue 長度
  • vmstat 1 的 r 列
  • runqlen（BCC）

參考資料

1. https://www.codedump.info/post/20200620-sgfap-loadavg/
2. https://www.brendangregg.com/blog/2017-08-08/linux-load-averages.html