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(tǒng)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(biāo)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(zhí)行用戶進(jìn)程的時(shí)間，包括 nice 時(shí)間。通常都是希望用戶空間CPU越高越好。
• sy：system time，表示 CPU 在內(nèi)核運(yùn)行的時(shí)間，包括 IRQ 和 softirq。系統(tǒng) CPU 占用越高，表明系統(tǒng)某部分存在瓶頸。通常這個(gè)值越低越好。
• ni：nice time，具有優(yōu)先級(jí)的用戶進(jìn)程執(zhí)行時(shí)占用的 CPU 利用率百分比。
• id：idle time，表示系統(tǒng)處于空閑期，等待進(jìn)程運(yùn)行。
• wa：waiting time，表示 CPU 在等待 IO 操作完成所花費(fèi)的時(shí)間。系統(tǒng)不應(yīng)該花費(fèi)大量的時(shí)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(tǒng)處理硬中斷所花費(fèi)的時(shí)間。
• si：soft IRQ time，表示系統(tǒng)處理軟中斷所花費(fèi)的時(shí)間。
• st：steal time，被強(qiáng)制等待（involuntary wait）虛擬 CPU 的時(shí)間，此時(shí) Hypervisor 在為另一個(gè)虛擬處理器服務(wù)。

當(dāng)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么。

時(shí)鐘中斷

首先，我們要知道統(tǒng)計(jì) CPU 使用情況在什么地方執(zhí)行的。在分析之前，我們先來了解下?時(shí)鐘中斷：

時(shí)鐘中斷：是一種硬中斷，由時(shí)間硬件（系統(tǒng)定時(shí)器，一種可編程硬件）產(chǎn)生。當(dāng) CPU 接收到時(shí)鐘中斷信號(hào)后，會(huì)在處理完當(dāng)前指令后調(diào)用?時(shí)鐘中斷處理程序?來完成更新系統(tǒng)時(shí)間、執(zhí)行周期性任務(wù)等。

可以發(fā)現(xiàn)，統(tǒng)計(jì) CPU 使用情況是在?時(shí)鐘中斷處理程序?中完成的。

每個(gè) CPU 的使用情況通過?cpu_usage_stat?結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的定義可以看出，其每個(gè)字段與?top?命令的 CPU 使用率類型一一對(duì)應(yīng)。在內(nèi)核初始化時(shí)，會(huì)為每個(gè) CPU 創(chuàng)建一個(gè)?cpu_usage_stat?結(jié)構(gòu)，用于統(tǒng)計(jì) CPU 的使用情況。

OK，現(xiàn)在我們來分析下內(nèi)核是怎么統(tǒng)計(jì) CPU 的使用情況的。

每次執(zhí)行?時(shí)鐘中斷處理程序?都會(huì)調(diào)用?account_process_tick?函數(shù)進(jìn)行 CPU 使用情況統(tǒng)計(jì)，我們來分析一下?account_process_tick?函數(shù)的實(shí)現(xiàn)：

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(biāo)識(shí)當(dāng)前是否處于執(zhí)行用戶應(yīng)用程序

????if?(user_tick)?{
????????//?1.?如果?CPU?在執(zhí)行用戶程序,?那么調(diào)用?account_user_time?進(jìn)行統(tǒng)計(jì)
????????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(zhí)行內(nèi)核代碼,?那么調(diào)用?account_system_time?進(jìn)行統(tǒng)計(jì)
????????account_system_time(p,?HARDIRQ_OFFSET,?cputime_one_jiffy,
????????????????????????????one_jiffy_scaled);
????}?else?{
????????//?3.?否則說明?CPU?在執(zhí)行?idle?進(jìn)程(也就是處于空閑狀態(tài)),?那么調(diào)用?account_idle_time?進(jìn)行統(tǒng)計(jì)
????????account_idle_time(cputime_one_jiffy);
????}
}
account_process_tick?函數(shù)主要分 3 種情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如下：

• 如果 CPU 在執(zhí)行用戶程序，那么調(diào)用?account_user_time?進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。
• 如果 CPU 在執(zhí)行內(nèi)核代碼，那么調(diào)用?account_system_time?進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。
• 否則說明 CPU 在執(zhí)行 idle 進(jìn)程(也就是處于空閑狀態(tài))，那么調(diào)用?account_idle_time?進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

top: 30px;margin-bottom: 15px;font-weight: bold;font-size: 1.3em;color: rgb(0, 0, 0);border-bottom: 2px solid rgb(239, 112, 96);font-family: Optima-Regular, Optima, PingFangSC-light, PingFangTC-light, "PingFang SC", Cambria, Cochin, Georgia, Times, "Times New Roman", serif;text-align: left;white-space: normal;background-color: rgb(255, 255, 255);">CPU 使用情況統(tǒng)計(jì)

下面我們分別對(duì)這 3 種統(tǒng)計(jì)進(jìn)行分析。

1. 統(tǒng)計(jì)用戶程序執(zhí)行時(shí)間

統(tǒng)計(jì)用戶程序的執(zhí)行時(shí)間是通過?account_user_time?函數(shù)來完成的，我們來看看其實(shí)現(xiàn)：

void?account_user_time(struct?task_struct?*p,?cputime_t?cputime,
???????????????????????cputime_t?cputime_scaled)
{
????//?獲取?CPU?的統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)（每個(gè)CPU一個(gè)?cpu_usage_stat?結(jié)構(gòu)）
????struct?cpu_usage_stat?*cpustat?=?