聊聊 top 命令中的 CPU 使用率

2021-08-02 00:00:00 字段 执行 时间 统计 情况

以下文章来源于Linux内核那些事 ，作者songsong001  

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：

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。


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) > )
        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) > )
        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  28   0
cpu 245 10 1142 1097923 95  28   
...

上面的结果显示了 CPU 的使用情况信息，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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