top命令中CPU使用率的意義

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(nèi)核運行的時間，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。通常這個值越低越好。

ni：nice time，具有優(yōu)先級的用戶進程執(zhí)行時占用的 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(tǒng)不應(yīng)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(tǒng)處理硬中斷所花費的時間。

si：soft IRQ time，表示系統(tǒng)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 在為另一個虛擬處理器服務(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。

時鐘中斷首先，我們要知道統(tǒng)計 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 時鐘中斷：

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

可以發(fā)現(xiàn)，統(tǒng)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(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，其每個字段與 top 命令的 CPU 使用率類型一一對應(yīng)。在內(nèi)核初始化時，會為每個 CPU 創(chuàng)建一個 cpu_usage_stat 結(jié)構(gòu)，用于統(tǒng)計 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 CPU 的使用情況的。

每次執(zhí)行 時鐘中斷處理程序 都會調(diào)用 account_process_tick 函數(shù)進行 CPU 使用情況統(tǒng)計，我們來分析一下 account_process_tick 函數(shù)的實現(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 進行統(tǒng)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(zhí)行內(nèi)核代碼， 那么調(diào)用 account_system_time 進行統(tǒng)計

account_system_time（p， HARDIRQ_OFFSET， cputime_one_jiffy，

one_jiffy_scaled）;

} else {

// 3. 否則說明 CPU 在執(zhí)行 idle 進程（也就是處于空閑狀態(tài)）， 那么調(diào)用 account_idle_time 進行統(tǒng)計

account_idle_time（cputime_one_jiffy）;

}

}

account_process_tick 函數(shù)主要分 3 種情況進行統(tǒng)計，如下：

如果 CPU 在執(zhí)行用戶程序，那么調(diào)用 account_user_time 進行統(tǒng)計。

如果 CPU 在執(zhí)行內(nèi)核代碼，那么調(diào)用 account_system_time 進行統(tǒng)計。

否則說明 CPU 在執(zhí)行 idle 進程（也就是處于空閑狀態(tài)），那么調(diào)用 account_idle_time 進行統(tǒng)計。

CPU 使用情況統(tǒng)計下面我們分別對這 3 種統(tǒng)計進行分析。

1. 統(tǒng)計用戶程序執(zhí)行時間

統(tǒng)計用戶程序的執(zhí)行時間是通過 account_user_time 函數(shù)來完成的，我們來看看其實現(xiàn)：

void account_user_time（struct task_struct *p， cputime_t cputime，

cputime_t cputime_scaled）

{

// 獲取 CPU 的統(tǒng)計結(jié)構(gòu)（每個CPU一個 cpu_usage_stat 結(jié)構(gòu)）

struct cpu_usage_stat *cpustat = &kstat_this_cpu.cpustat;

cputime64_t tmp;

。..

// 分 2 種情況統(tǒng)計 CPU 的使用情況

// 1. 如果進程的 nice 值大于0， 那么將會統(tǒng)計到 nice 字段中

// 2. 如果進程的 nice 值小于等于0， 那么將會統(tǒng)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(shù)主要分兩種情況統(tǒng)計：

如果進程的 nice 值大于0，那么將會增加到 CPU 統(tǒng)計結(jié)構(gòu)的 nice 字段中。

如果進程的 nice 值小于等于0，那么增加到 CPU 統(tǒng)計結(jié)構(gòu)的 user 字段中。

這里說明一下進程 nice 值的作用，nice 值越大，說明進程的優(yōu)先級越低。所以，nice 統(tǒng)計值主要用來統(tǒng)計低優(yōu)先級進程的占使用 CPU 的情況。也說明了，user 和 nice 統(tǒng)計值都屬于執(zhí)行用戶程序的 CPU 時間。

2. 統(tǒng)計內(nèi)核代碼執(zhí)行時間

如果在發(fā)生時鐘中斷前，CPU 處于內(nèi)核態(tài)，也就是說在執(zhí)行內(nèi)核代碼。那么將會調(diào)用 account_system_time 函數(shù)進行統(tǒng)計，account_system_time 函數(shù)實現(xiàn)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(tǒng)計結(jié)構(gòu)（每個CPU一個 cpu_usage_stat 結(jié)構(gòu)）

struct cpu_usage_stat *cpustat = &kstat_this_cpu.cpustat;

cputime64_t tmp;

。..

// 主要分 3 種情況進行統(tǒng)計

// 1. 如果當(dāng)前處于硬中斷執(zhí)行上下文， 那么統(tǒng)計到 irq 字段中

// 2. 如果當(dāng)前處于軟中斷執(zhí)行上下文， 那么統(tǒng)計到 softirq 字段中

// 3. 否則統(tǒng)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(shù)主要分 3 種情況進行統(tǒng)計：

如果當(dāng)前處于硬中斷執(zhí)行上下文，那么增加到 CPU 統(tǒng)計結(jié)構(gòu)的 irq 字段中。

如果當(dāng)前處于軟中斷執(zhí)行上下文，那么增加到 CPU 統(tǒng)計結(jié)構(gòu)的 softirq 字段中。

否則增加到 CPU 統(tǒng)計結(jié)構(gòu)的 system 字段中。

從上面代碼可以看出，irq 和 softirq 統(tǒng)計值也算是內(nèi)核代碼執(zhí)行時間。

3. idle 進程執(zhí)行時間統(tǒng)計

當(dāng)系統(tǒng)中沒有可運行的進程時，將會執(zhí)行 idle 進程。也就是說，當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行 idle 進程時，表示系統(tǒng)正處于空閑狀態(tài)。

idle 進程執(zhí)行時間統(tǒng)計由 account_idle_time 函數(shù)完成，其實現(xiàn)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(tǒng)計 CPU 的使用情況

// 1. 如果系統(tǒng)有進程正在等待 I/O 操作完成， 那么將統(tǒng)計到 iowait 字段中

// 2. 否則將統(tǒng)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(shù)也分兩種情況進行統(tǒng)計：

如果系統(tǒng)中有正在等待 I/O 操作完成的進程，那么增加到 CPU 統(tǒng)計結(jié)構(gòu)的 iowait 字段中。

否則增加到 CPU 統(tǒng)計結(jié)構(gòu)的 idle 字段中。

從上面的分析可以看出，iowait 統(tǒng)計值也屬于空閑時間的一種。

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(xiàn)在我們來介紹一下 top 命令是怎么計算各種類型的 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(jié)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。因為我的電腦只有一個核，所以只有一條數(shù)據(jù)。

下面說說這些數(shù)據(jù)的意義，從第一個數(shù)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(jié)本文主要分析了 top 命令中的 CPU 使用率的意義和實現(xiàn)原理，希望通過本文，能夠幫助大家對 top 命令有更深的認識。

責(zé)任編輯：haq