聊聊 top 命令中的 CPU 使用率

曾经终败给现在 2022-08-31 00:52 188阅读 0赞

平常我们使用 `top` 命令来查看系统的性能情况，在 `top` 命令中可以看到很多不同类型的 CPU 使用率，如下图红框中标出部分：

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下面，我们来介绍一下这些 CPU 使用率的意义：

*  `us`：user time，表示 CPU 执行用户进程的时间，包括 nice 时间。通常都是希望用户空间CPU越高越好。
 *  `sy`：system time，表示 CPU 在内核运行的时间，包括 IRQ 和 softirq。系统 CPU 占用越高，表明系统某部分存在瓶颈。通常这个值越低越好。
 *  `ni`：nice time，具有优先级的用户进程执行时占用的 CPU 利用率百分比。
 *  `id`：idle time，表示系统处于空闲期，等待进程运行。
 *  `wa`：waiting time，表示 CPU 在等待 IO 操作完成所花费的时间。系统不应该花费大量的时间来等待 IO 操作，否则就说明 IO 存在瓶颈。
 *  `hi`：hard IRQ time，表示系统处理硬中断所花费的时间。
 *  `si`：soft IRQ time，表示系统处理软中断所花费的时间。
 *  `st`：steal time，被强制等待（involuntary wait）虚拟 CPU 的时间，此时 Hypervisor 在为另一个虚拟处理器服务。

当然，单靠上面的解释来理解它们的意义还是比较困难的。所以，本文主要从源码的角度来分析它们到底代表什么。

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## 时钟中断 ##

首先，我们要知道统计 CPU 使用情况在什么地方执行的。在分析之前，我们先来了解下 `时钟中断`：

> **时钟中断**：是一种硬中断，由时间硬件（系统定时器，一种可编程硬件）产生。当 CPU 接收到时钟中断信号后，会在处理完当前指令后调用 `时钟中断处理程序` 来完成更新系统时间、执行周期性任务等。

可以发现，统计 CPU 使用情况是在 `时钟中断处理程序` 中完成的。

每个 CPU 的使用情况通过 `cpu_usage_stat` 结构来记录，我们来看看其定义：

struct cpu_usage_stat {
        cputime64_t user;
        cputime64_t nice;
        cputime64_t system;
        cputime64_t softirq;
        cputime64_t irq;
        cputime64_t idle;
        cputime64_t iowait;
        cputime64_t steal;
        cputime64_t guest;
    };

从 `cpu_usage_stat` 结构的定义可以看出，其每个字段与 `top` 命令的 CPU 使用率类型一一对应。在内核初始化时，会为每个 CPU 创建一个 `cpu_usage_stat` 结构，用于统计 CPU 的使用情况。

OK，现在我们来分析下内核是怎么统计 CPU 的使用情况的。

每次执行 `时钟中断处理程序` 都会调用 `account_process_tick` 函数进行 CPU 使用情况统计，我们来分析一下 `account_process_tick` 函数的实现：

void account_process_tick(struct task_struct *p, int user_tick)
    {
        cputime_t one_jiffy_scaled = cputime_to_scaled(cputime_one_jiffy);
        struct rq *rq = this_rq();
    
        // 说明：user_tick 变量标识当前是否处于执行用户应用程序
    
        if (user_tick) {
            // 1. 如果 CPU 在执行用户程序, 那么调用 account_user_time 进行统计
            account_user_time(p, cputime_one_jiffy, one_jiffy_scaled);
        } else if ((p != rq->idle) || (irq_count() != HARDIRQ_OFFSET)) {
            // 2. 如果 CPU 在执行内核代码, 那么调用 account_system_time 进行统计
            account_system_time(p, HARDIRQ_OFFSET, cputime_one_jiffy,
                                one_jiffy_scaled);
        } else {
            // 3. 否则说明 CPU 在执行 idle 进程(也就是处于空闲状态), 那么调用 account_idle_time 进行统计
            account_idle_time(cputime_one_jiffy);
        }
    }

`account_process_tick` 函数主要分 3 种情况进行统计，如下：

*  如果 CPU 在执行用户程序，那么调用 `account_user_time` 进行统计。
 *  如果 CPU 在执行内核代码，那么调用 `account_system_time` 进行统计。
 *  否则说明 CPU 在执行 idle 进程(也就是处于空闲状态)，那么调用 `account_idle_time` 进行统计。

## CPU 使用情况统计 ##

下面我们分别对这 3 种统计进行分析。

### 1. 统计用户程序执行时间 ###

统计用户程序的执行时间是通过 `account_user_time` 函数来完成的，我们来看看其实现：

void account_user_time(struct task_struct *p, cputime_t cputime,
                           cputime_t cputime_scaled)
    {
        // 获取 CPU 的统计结构（每个CPU一个 cpu_usage_stat 结构）
        struct cpu_usage_stat *cpustat = &kstat_this_cpu.cpustat; 
        cputime64_t tmp;
        ...
    
        // 分 2 种情况统计 CPU 的使用情况
        // 1. 如果进程的 nice 值大于0, 那么将会统计到 nice 字段中
        // 2. 如果进程的 nice 值小于等于0, 那么将会统计到 user 字段中
        if (TASK_NICE(p) > 0)
            cpustat->nice = cputime64_add(cpustat->nice, tmp);
        else
            cpustat->user = cputime64_add(cpustat->user, tmp);
        ...
    }

`account_user_time` 函数主要分两种情况统计：

*  如果进程的 `nice` 值大于0，那么将会增加到 CPU 统计结构的 `nice` 字段中。
 *  如果进程的 `nice` 值小于等于0，那么增加到 CPU 统计结构的 `user` 字段中。

这里说明一下进程 `nice` 值的作用，`nice` 值越大，说明进程的优先级越低。所以，`nice` 统计值主要用来统计低优先级进程的占使用 CPU 的情况。也说明了，`user` 和 `nice` 统计值都属于执行用户程序的 CPU 时间。

### 2. 统计内核代码执行时间 ###

如果在发生时钟中断前，CPU 处于内核态，也就是说在执行内核代码。那么将会调用 `account_system_time` 函数进行统计，`account_system_time` 函数实现如下：

void account_system_time(struct task_struct *p, int hardirq_offset,
                             cputime_t cputime, cputime_t cputime_scaled)
    {
        // 获取 CPU 的统计结构（每个CPU一个 cpu_usage_stat 结构）
        struct cpu_usage_stat *cpustat = &kstat_this_cpu.cpustat;
        cputime64_t tmp;
        ...
    
        // 主要分 3 种情况进行统计
        // 1. 如果当前处于硬中断执行上下文, 那么统计到 irq 字段中
        // 2. 如果当前处于软中断执行上下文, 那么统计到 softirq 字段中
        // 3. 否则统计到 system 字段中
        if (hardirq_count() - hardirq_offset)
            cpustat->irq = cputime64_add(cpustat->irq, tmp);
        else if (softirq_count())
            cpustat->softirq = cputime64_add(cpustat->softirq, tmp);
        else
            cpustat->system = cputime64_add(cpustat->system, tmp);
        ...
    }

`account_system_time` 函数主要分 3 种情况进行统计：

*  如果当前处于硬中断执行上下文，那么增加到 CPU 统计结构的 `irq` 字段中。
 *  如果当前处于软中断执行上下文，那么增加到 CPU 统计结构的 `softirq` 字段中。
 *  否则增加到 CPU 统计结构的 `system` 字段中。

从上面代码可以看出，`irq` 和 `softirq` 统计值也算是内核代码执行时间。

### 3. idle 进程执行时间统计 ###

当系统中没有可运行的进程时，将会执行 `idle` 进程。也就是说，当系统执行 `idle` 进程时，表示系统正处于空闲状态。

`idle` 进程执行时间统计由 `account_idle_time` 函数完成，其实现如下：

void account_idle_time(cputime_t cputime)
    {
        struct cpu_usage_stat *cpustat = &kstat_this_cpu.cpustat;
        cputime64_t cputime64 = cputime_to_cputime64(cputime);
        struct rq *rq = this_rq();
    
        // 分 2 种情况统计 CPU 的使用情况
        // 1. 如果系统有进程正在等待 I/O 操作完成, 那么将统计到 iowait 字段中
        // 2. 否则将统计到 idle 字段中
        if (atomic_read(&rq->nr_iowait) > 0)
            cpustat->iowait = cputime64_add(cpustat->iowait, cputime64);
        else
            cpustat->idle = cputime64_add(cpustat->idle, cputime64);
    }

`account_idle_time` 函数也分两种情况进行统计：

*  如果系统中有正在等待 I/O 操作完成的进程，那么增加到 CPU 统计结构的 `iowait` 字段中。
 *  否则增加到 CPU 统计结构的 `idle` 字段中。

从上面的分析可以看出，`iowait` 统计值也属于空闲时间的一种。

## top 命令的 CPU 使用率 ##

通过源码分析，我们知道 `top` 命令中 CPU 使用率各种类型的意思，现在我们来介绍一下 `top` 命令是怎么计算各种类型的 CPU 使用率。

要获取各个 CPU 的使用情况信息，可以通过读取 `/proc/stat` 文件获取，如下：

[vagrant@localhost ~]$ cat /proc/stat
    cpu  245 10 1142 1097923 95 0 28 0 0 0
    cpu0 245 10 1142 1097923 95 0 28 0 0 0
    ...

上面的结果显示了 CPU 的使用情况信息，第一行代表所有 CPU 的总和，而第二行开始表示每个 CPU 核心的使用情况信息。因为我的电脑只有一个核，所以只有一条数据。

下面说说这些数据的意义，从第一个数值开始分别代表：`user` ，`nice`，`system`，`idle`，`iowait`， `irq`，`softirq`，`steal`。

所以，`top` 命令的 CPU 使用率计算公式如下：

CPU总时间 = user + nice + system + idle + wait + irq + softirq + steal
    %us = user / CPU总时间
    %ni = nice / CPU总时间
    %sy = system / CPU总时间
    %id = idel / CPU总时间
    %wa = wait / CPU总时间
    %hi = irq / CPU总时间
    %si = softirq / CPU总时间
    %st = steal / CPU总时间

嗯，看起来还是挺简单的。

## 总结 ##

本文主要分析了 `top` 命令中的 CPU 使用率的意义和实现原理，希望通过本文，能够帮助大家对 `top` 命令有更深的认识。

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[7d623f906fd63815846477afe2b80012.png]: /images/20220829/4d99e817ad504ea6a9d06f8a8d04d130.png