聊聊Linux系统Top 命令中的 CPU 使用率

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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：

1. structcpu_usage_stat{
2. cputime64_tuser;
3. cputime64_tnice;
4. cputime64_tsystem;
5. cputime64_tsoftirq;
6. cputime64_tirq;
7. cputime64_tidle;
8. cputime64_tiowait;
9. cputime64_tsteal;
10. cputime64_tguest;
11. };

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：

1. voidaccount_process_tick(structtask_struct*p,intuser_tick)
2. {
3. cputime_tone_jiffy_scaled=cputime_to_scaled(cputime_one_jiffy);
4. structrq*rq=this_rq();
6. //说明：user_tick变量标识当前是否处于执行用户应用程序
8. if(user_tick){
9. //1.如果CPU在执行用户程序,那么调用account_user_time进行统计
10. account_user_time(p,cputime_one_jiffy,one_jiffy_scaled);
11. }elseif((p!=rq->idle)||(irq_count()!=HARDIRQ_OFFSET)){
12. //2.如果CPU在执行内核代码,那么调用account_system_time进行统计
13. account_system_time(p,HARDIRQ_OFFSET,cputime_one_jiffy,
14. one_jiffy_scaled);
15. }else{
16. //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
17. account_idle_time(cputime_one_jiffy);
18. }
19. }

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：

1. voidaccount_user_time(structtask_struct*p,cputime_tcputime,
2. cputime_tcputime_scaled)
3. {
4. //获取CPU的统计结构（每个CPU一个cpu_usage_stat结构）
5. structcpu_usage_stat*cpustat=&kstat_this_cpu.cpustat;
6. cputime64_ttmp;
7. …
9. //分2种情况统计CPU的使用情况
10. //1.如果进程的nice值大于0,那么将会统计到nice字段中
11. //2.如果进程的nice值小于等于0,那么将会统计到user字段中
12. if(TASK_NICE(p)>0)
13. cpustat->nice=cputime64_add(cpustat->nice,tmp);
14. else
15. cpustat->user=cputime64_add(cpustat->user,tmp);
16. …
17. }

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：

1. voidaccount_system_time(structtask_struct*p,inthardirq_offset,
2. cputime_tcputime,cputime_tcputime_scaled)
3. {
4. //获取CPU的统计结构（每个CPU一个cpu_usage_stat结构）
5. structcpu_usage_stat*cpustat=&kstat_this_cpu.cpustat;
6. cputime64_ttmp;
7. …
9. //主要分3种情况进行统计
10. //1.如果当前处于硬中断执行上下文,那么统计到irq字段中
11. //2.如果当前处于软中断执行上下文,那么统计到softirq字段中
12. //3.否则统计到system字段中
13. if(hardirq_count()-hardirq_offset)
14. cpustat->irq=cputime64_add(cpustat->irq,tmp);
15. elseif(softirq_count())
16. cpustat->softirq=cputime64_add(cpustat->softirq,tmp);
17. else
18. cpustat->system=cputime64_add(cpustat->system,tmp);
19. …
20. }

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：

1. voidaccount_idle_time(cputime_tcputime)
2. {
3. structcpu_usage_stat*cpustat=&kstat_this_cpu.cpustat;
4. cputime64_tcputime64=cputime_to_cputime64(cputime);
5. structrq*rq=this_rq();
7. //分2种情况统计CPU的使用情况
8. //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
9. //2.否则将统计到idle字段中
10. if(atomic_read(&rq->nr_iowait)>0)
11. cpustat->iowait=cputime64_add(cpustat->iowait,cputime64);
12. else
13. cpustat->idle=cputime64_add(cpustat->idle,cputime64);
14. }

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：

1. [vagrant@localhost~]$cat/proc/stat
2. cpu245101142109792395028000
3. cpu0245101142109792395028000
4. …

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：

1. CPU总时间=user+nice+system+idle+wait+irq+softirq+steal
2. %us=user/CPU总时间
3. %ni=nice/CPU总时间
4. %sy=system/CPU总时间
5. %id=idel/CPU总时间
6. %wa=wait/CPU总时间
7. %hi=irq/CPU总时间
8. %si=softirq/CPU总时间
9. %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。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/qkjGYoheHvs-lX9avrYg_g