Linuxの/proc/loadavgが更新される仕組み

はじめに (対象読者・この記事でわかること)

この記事は、Linuxシステムの内部動作に興味があるシステム管理者や開発者、特にLinuxカーネルの動作原理を理解したい方を対象としています。この記事を読むことで、/proc/loadavgファイルがどのようにして定期的に更新されているのか、その仕組みを深く理解できるようになります。また、Linuxシステムの負荷監視の基礎知識を深め、システムパフォーマンスチューニングの知見を得ることができます。特に、システムの負荷状況を正確に把握するために、loadavgの値がどのように計算され、表示されるのかを理解することは、システムの安定運用に不可欠です。

前提知識

この記事を読み進める上で、以下の知識があるとスムーズです。 - Linuxの基本的なコマンド操作 - プロセスとスケジューリングの基本的な概念 - C言語の基本的な知識 - /procファイルシステムの基本的な理解

/proc/loadavgとは何か

/proc/loadavgは、Linuxシステムの負荷状況を示す情報を提供する仮想ファイルです。このファイルは、実際にはディスク上に存在する物理ファイルではなく、カーネルメモリ上に動的に生成される仮想ファイルです。/procファイルシステムは、プロセス情報やシステム情報をユーザー空間からアクセス可能にするためのインターフェースを提供します。

/proc/loadavgファイルには、過去1分、5分、15分間のシステム負荷の平均値が表示されます。これらの値は、実行中のプロセス数、実行可能状態のプロセス数、最後に使用されたプロセスID（PID）などの情報と共に表示されます。システム管理者や開発者は、この情報をシステムの負荷状況を監視するために頻繁に利用します。

このファイルの内容は、cat /proc/loadavgコマンドで確認できます。例えば、0.15 0.25 0.30 1/123 12345のような形式で表示されます。ここで、最初の3つの値がそれぞれ1分、5分、15分間のシステム負荷の平均値を示しています。

/proc/loadavgの更新メカニズム

ステップ1：ロードアベレージの計算原理

Linuxにおけるロードアベレージは、システムの負荷を示す指標として、実行可能状態にあるプロセスの数の時間平均値として計算されます。具体的には、過去1分、5分、15分間の実行可能状態のプロセス数の平均値が計算され、これがシステムの負荷状況を示します。

ロードアベレージの計算は、指数移動平均（EMA）を使用して行われます。EMAは、過去の値に対して時間が経つにつれて重みを減少させる平均値の計算方法です。Linuxカーネルでは、以下の式でロードアベレージが計算されます：

load = (load * exp + active_processes) / exp

ここで、expは時間間隔に基づいた定数であり、1分間のロードアベレージではexp=1、5分間ではexp=5、15分間ではexp=15となります。

ステップ2：カーネル内での更新プロセス

Linuxカーネルでは、タスク（プロセス）のスケジューリングと負荷計算は密接に関連しています。カーネルは、タスクスケジューラ（CFS Completely Fair Scheduler）を通じて各プロセスの実行時間を管理し、その過程でシステムの負荷状況を継続的に監視しています。

/proc/loadavgの更新は、主に以下のプロセスで行われます：

タイマー割り込み：システムタイマーが割り込みを発生させるたびに、カーネルはシステムの負荷状況を更新します。このタイマー割り込みは、通常、1秒間に約100回（CONFIG_HZ=100の場合）発生します。
スケジューラの更新：タスクスケジューラは、各CPUコアで実行されるタスクの状態を追跡し、実行可能状態のタスクの数を継続的に監視します。この情報は、システムの負荷計算に使用されます。
loadavgの計算：カーネルは、監視された実行可能状態のタスクの数に基づいて、指数移動平均を計算します。この計算は、avenrunというグローバル変数を通じて行われます。
/proc/loadavgへの反映：カーネルは、計算されたロードアベレージの値を/proc/loadavgファイルに反映させます。このファイルへのアクセスは、proc_loadavg関数を通じて実現されています。

ステップ3：ソースコードでの実装

Linuxカーネルのソースコードでは、/proc/loadavgの更新は主に以下のファイルで実装されています：

kernel/sched/loadavg.c：ロードアベレージの計算ロジック
fs/proc/loadavg.c：/proc/loadavgファイルの実装
kernel/sched/core.c：スケジューラの主要な実装

以下に、/proc/loadavgの実装に関連するコードの概要を示します：

C

// fs/proc/loadavg.c
static int loadavg_proc_show(struct seq_file *m, void *v)
{
    unsigned long avnrun[3];

    // グローバル変数avenrunからロードアベレージの値を取得
    get_avenrun(avnrun, FIXED_1/200, 0);

    // /proc/loadavgの内容をフォーマットして出力
    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_active(), 
               nr_running(), 
                nr_threads,
                task_active_pid_ns(current)->last_pid);
    return 0;
}

上記のコードは、/proc/loadavgファイルの内容を生成する関数です。この関数は、get_avenrun関数を呼び出してグローバル変数avenrunからロードアベレージの値を取得し、それをフォーマットして出力します。

一方、ロードアベレージの計算は、kernel/sched/loadavg.cに実装されています：

C

// kernel/sched/loadavg.c
void get_avenrun(unsigned long *loads, unsigned long offset, int shift)
{
    loads[0] = (avenrun[0] + offset) >> shift;
    loads[1] = (avenrun[1] + offset) >> shift;
    loads[2] = (avenrun[2] + offset) >> shift;
}

static void calc_load(unsigned long ticks)
{
    unsigned long active_tasks;
    static unsigned long count = LOAD_FREQ;

    // 実行可能状態のタスク数を取得
    active_tasks = count_active_tasks();

    // ロードアベレージを計算
    CALC_LOAD(avenrun[0], EXP_1, active_tasks);
    CALC_LOAD(avenrun[1], EXP_5, active_tasks);
    CALC_load(avenrun[2], EXP_15, active_tasks);

    // 次の更新までのカウントを減少
    count -= ticks;
    if (count < 0) {
        count += LOAD_FREQ;
        // 定期的に更新フラグを設定
        smp_mb();
        set_load_weight(0);
    }
}

上記のコードは、ロードアベレージを計算する関数です。calc_load関数は、システムの負荷状況に基づいてavenrunグローバル変数を更新します。この関数は、システムタイマー割り込みから呼び出されることで、定期的にロードアベレージを更新します。

ステップ4：実際に更新を確認する方法

/proc/loadavgの更新を実際に確認するには、以下の方法があります：

watchコマンドの使用： bash watch -n 1 cat /proc/loadavg このコマンドは、1秒ごとに/proc/loadavgの内容を表示し、更新される様子を観察できます。
システムコールのトレース： bash strace -e trace=write cat /proc/loadavg このコマンドは、/proc/loadavgファイルへのアクセス時に発生するシステムコールをトレースし、ファイルがどのように読み取られているかを確認できます。
カーネルのデバッグ機能：カーネルのデバッグ機能を有効にし、dmesgコマンドでロードアベレージの更新に関するメッセージを監視することも可能です。

ハマった点やエラー解決

/proc/loadavgの更新メカニズムを理解する際には、以下の点でつまずくことがあります：

ロードアベレージの値が予想と異なる：ロードアベレージの値が、システムの実際の負荷状況と異なるように見えることがあります。これは、ロードアベレージの計算方法（指数移動平均）によるものであり、短期的な負荷変動が平滑化されるためです。
/proc/loadavgの内容が更新されない：まれに、/proc/loadavgの内容が更新されないように見えることがあります。これは、システムがアイドル状態にある場合や、負荷が非常に低い場合に発生することがあります。この場合は、システムに負荷をかけて再確認すると良いでしょう。
カーネルソースコードの理解が難しい： Linuxカーネルのソースコードは非常に複雑であり、特にスケジューラの実装は理解するのが難しいことがあります。この場合は、特定の関数や変数に焦点を当て、関連するドキュメントやチュートリアルを参照すると良いでしょう。

解決策

上記の問題に対する解決策は以下の通りです：

ロードアベレージの値が予想と異なる場合：ロードアベレージの計算方法を理解し、指数移動平均の特性を考慮して値を解釈することが重要です。また、システムの負荷状況を正確に把握するために、他の監視ツール（top、htop、vmstatなど）も併用することをお勧めします。
/proc/loadavgの内容が更新されない場合：システムに負荷をかけることで、ロードアベレージの値が変化することを確認できます。例えば、以下のコマンドでCPUに負荷をかけることができます： bash dd if=/dev/zero of=/dev/null
カーネルソースコードの理解が難しい場合： Linuxカーネルのドキュメントや、専門の書籍を参照することで理解を深めることができます。また、特定の関数や変数の動作を確認するために、printkデバッグやカーネルデバッガ（kgdb、gdbなど）を使用する方法もあります。

まとめ

本記事では、Linuxの/proc/loadavgファイルがどのように定期的に更新されているのか、その仕組みを解説しました。

/proc/loadavgは、Linuxシステムの負荷状況を示す情報を提供する仮想ファイルであり、/procファイルシステムを通じてアクセスされます。
ロードアベレージの計算は、指数移動平均を使用しており、実行可能状態のプロセス数の時間平均値として計算されます。
/proc/loadavgの更新は、主にカーネルのタイマー割り込みとタスクスケジューラを通じて行われ、カーネルソースコードの特定の関数で実装されています。
実際に/proc/loadavgの更新を確認するには、watchコマンドやシステムコールのトレースなどの方法があります。

この記事を通して、Linuxシステムの負荷監視の基礎知識を深め、システムの安定運用に役立てていただけると幸いです。今後は、Linuxカーネルの他の仮想ファイルシステムや、システムパフォーマンスチューニングの技術についても記事にする予定です。

Linuxの/proc/loadavgが更新される仕組み📊