聊聊 top 命令中的 CPU 使用率

平常我們使用 top 命令來查看系統的性能情況，在 top 命令中可以看到很多不同類型的 CPU 使用率，如下圖紅框中標出部分：

下面，我們來介紹一下這些 CPU 使用率的意義：

• us：user time，表示 CPU 執行用戶進程的時間，包括 nice 時間。通常都是希望用戶空間 CPU 越高越好。

• sy：system time，表示 CPU 在內核運行的時間，包括 IRQ 和 softirq。系統 CPU 佔用越高，表明系統某部分存在瓶頸。通常這個值越低越好。

• ni：nice time，具有優先級的用戶進程執行時佔用的 CPU 利用率百分比。

• id：idle time，表示系統處於空閒期，等待進程運行。

• wa：waiting time，表示 CPU 在等待 IO 操作完成所花費的時間。系統不應該花費大量的時間來等待 IO 操作，否則就說明 IO 存在瓶頸。

• hi：hard IRQ time，表示系統處理硬中斷所花費的時間。

• si：soft IRQ time，表示系統處理軟中斷所花費的時間。

• st：steal time，被強制等待（involuntary wait）虛擬 CPU 的時間，此時 Hypervisor 在爲另一個虛擬處理器服務。

當然，單靠上面的解釋來理解它們的意義還是比較困難的。所以，本文主要從源碼的角度來分析它們到底代表什麼。

時鐘中斷

首先，我們要知道統計 CPU 使用情況在什麼地方執行的。在分析之前，我們先來了解下 時鐘中斷：

時鐘中斷：是一種硬中斷，由時間硬件（系統定時器，一種可編程硬件）產生。當 CPU 接收到時鐘中斷信號後，會在處理完當前指令後調用 時鐘中斷處理程序 來完成更新系統時間、執行週期性任務等。

可以發現，統計 CPU 使用情況是在 時鐘中斷處理程序 中完成的。

每個 CPU 的使用情況通過 cpu_usage_stat 結構來記錄，我們來看看其定義：

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;
};

從 cpu_usage_stat 結構的定義可以看出，其每個字段與 top 命令的 CPU 使用率類型一一對應。在內核初始化時，會爲每個 CPU 創建一個 cpu_usage_stat 結構，用於統計 CPU 的使用情況。

OK，現在我們來分析下內核是怎麼統計 CPU 的使用情況的。

每次執行 時鐘中斷處理程序 都會調用 account_process_tick 函數進行 CPU 使用情況統計，我們來分析一下 account_process_tick 函數的實現：

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();

    // 說明：user_tick 變量標識當前是否處於執行用戶應用程序

    if (user_tick) {
        // 1. 如果 CPU 在執行用戶程序, 那麼調用 account_user_time 進行統計
        account_user_time(p, cputime_one_jiffy, one_jiffy_scaled);
    } else if ((p != rq->idle) || (irq_count() != HARDIRQ_OFFSET)) {
        // 2. 如果 CPU 在執行內核代碼, 那麼調用 account_system_time 進行統計
        account_system_time(p, HARDIRQ_OFFSET, cputime_one_jiffy,
                            one_jiffy_scaled);
    } else {
        // 3. 否則說明 CPU 在執行 idle 進程(也就是處於空閒狀態), 那麼調用 account_idle_time 進行統計
        account_idle_time(cputime_one_jiffy);
    }
}

account_process_tick 函數主要分 3 種情況進行統計，如下：

• 如果 CPU 在執行用戶程序，那麼調用 account_user_time 進行統計。

• 如果 CPU 在執行內核代碼，那麼調用 account_system_time 進行統計。

• 否則說明 CPU 在執行 idle 進程 (也就是處於空閒狀態)，那麼調用 account_idle_time 進行統計。

CPU 使用情況統計

下面我們分別對這 3 種統計進行分析。

1. 統計用戶程序執行時間

統計用戶程序的執行時間是通過 account_user_time 函數來完成的，我們來看看其實現：

void account_user_time(struct task_struct *p, cputime_t cputime,
                       cputime_t cputime_scaled)
{
    // 獲取 CPU 的統計結構（每個CPU一個 cpu_usage_stat 結構）
    struct cpu_usage_stat *cpustat = &kstat_this_cpu.cpustat; 
    cputime64_t tmp;
    ...

    // 分 2 種情況統計 CPU 的使用情況
    // 1. 如果進程的 nice 值大於0, 那麼將會統計到 nice 字段中
    // 2. 如果進程的 nice 值小於等於0, 那麼將會統計到 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 函數主要分兩種情況統計：

• 如果進程的 nice 值大於 0，那麼將會增加到 CPU 統計結構的 nice 字段中。

• 如果進程的 nice 值小於等於 0，那麼增加到 CPU 統計結構的 user 字段中。

這裏說明一下進程 nice 值的作用，nice 值越大，說明進程的優先級越低。所以，nice 統計值主要用來統計低優先級進程的佔使用 CPU 的情況。也說明了，user 和 nice 統計值都屬於執行用戶程序的 CPU 時間。

2. 統計內核代碼執行時間

如果在發生時鐘中斷前，CPU 處於內核態，也就是說在執行內核代碼。那麼將會調用 account_system_time 函數進行統計，account_system_time 函數實現如下：

void account_system_time(struct task_struct *p, int hardirq_offset,
                         cputime_t cputime, cputime_t cputime_scaled)
{
    // 獲取 CPU 的統計結構（每個CPU一個 cpu_usage_stat 結構）
    struct cpu_usage_stat *cpustat = &kstat_this_cpu.cpustat;
    cputime64_t tmp;
    ...

    // 主要分 3 種情況進行統計
    // 1. 如果當前處於硬中斷執行上下文, 那麼統計到 irq 字段中
    // 2. 如果當前處於軟中斷執行上下文, 那麼統計到 softirq 字段中
    // 3. 否則統計到 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 函數主要分 3 種情況進行統計：

• 如果當前處於硬中斷執行上下文，那麼增加到 CPU 統計結構的 irq 字段中。

• 如果當前處於軟中斷執行上下文，那麼增加到 CPU 統計結構的 softirq 字段中。

• 否則增加到 CPU 統計結構的 system 字段中。

從上面代碼可以看出，irq 和 softirq 統計值也算是內核代碼執行時間。

3. idle 進程執行時間統計

當系統中沒有可運行的進程時，將會執行 idle 進程。也就是說，當系統執行 idle 進程時，表示系統正處於空閒狀態。

idle 進程執行時間統計由 account_idle_time 函數完成，其實現如下：

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 種情況統計 CPU 的使用情況
    // 1. 如果系統有進程正在等待 I/O 操作完成, 那麼將統計到 iowait 字段中
    // 2. 否則將統計到 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 函數也分兩種情況進行統計：

• 如果系統中有正在等待 I/O 操作完成的進程，那麼增加到 CPU 統計結構的 iowait 字段中。

• 否則增加到 CPU 統計結構的 idle 字段中。

從上面的分析可以看出，iowait 統計值也屬於空閒時間的一種。

top 命令的 CPU 使用率

通過源碼分析，我們知道 top 命令中 CPU 使用率各種類型的意思，現在我們來介紹一下 top 命令是怎麼計算各種類型的 CPU 使用率。

要獲取各個 CPU 的使用情況信息，可以通過讀取 /proc/stat 文件獲取，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
...

上面的結果顯示了 CPU 的使用情況信息，第一行代表所有 CPU 的總和，而第二行開始表示每個 CPU 核心的使用情況信息。因爲我的電腦只有一個核，所以只有一條數據。

下面說說這些數據的意義，從第一個數值開始分別代表：user ，nice，system，idle，iowait， irq，softirq，steal。

所以，top 命令的 CPU 使用率計算公式如下：

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

嗯，看起來還是挺簡單的。

總結

本文主要分析了 top 命令中的 CPU 使用率的意義和實現原理，希望通過本文，能夠幫助大家對 top 命令有更深的認識。

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來源：https://mp.weixin.qq.com/s/106rT88LSg_5IZnigBbRUA