聊聊 Top 命令中的 CPU 使用率
本文轉載自微信公眾號「Linux內核那些事」，作者songsong001。轉載本文請聯系Linux內核那些事公眾號。
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 占用越高，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占用的 CPU 利用率百分比。
- id：idle time，表示系統處于空閑期，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 在為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么。
時鐘中斷
首先，我們要知道統計 CPU 使用情況在什么地方執行的。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后，會在處理完當前指令后調用 時鐘中斷處理程序 來完成更新系統時間、執行周期性任務等。
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，會為每個 CPU 創建一個 cpu_usage_stat 結構，用于統計 CPU 的使用情況。
OK，現在我們來分析下內核是怎么統計 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于執行用戶應用程序
- if (user_tick) {
- // 1. 如果 CPU 在執行用戶程序, 那么調用 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, 那么調用 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(也就是處于空閑狀態), 那么調用 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，那么調用 account_user_time 進行統計。
如果 CPU 在執行內核代碼，那么調用 account_system_time 進行統計。
否則說明 CPU 在執行 idle 進程(也就是處于空閑狀態)，那么調用 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 值大于0, 那么將會統計到 nice 字段中
- // 2. 如果進程的 nice 值小于等于0, 那么將會統計到 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 值大于0，那么將會增加到 CPU 統計結構的 nice 字段中。
- 如果進程的 nice 值小于等于0，那么增加到 CPU 統計結構的 user 字段中。
這里說明一下進程 nice 值的作用，nice 值越大，說明進程的優先級越低。所以，nice 統計值主要用來統計低優先級進程的占使用 CPU 的情況。也說明了，user 和 nice 統計值都屬于執行用戶程序的 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 處于內核態，也就是說在執行內核代碼。那么將會調用 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. 如果當前處于硬中斷執行上下文, 那么統計到 irq 字段中
- // 2. 如果當前處于軟中斷執行上下文, 那么統計到 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：
如果當前處于硬中斷執行上下文，那么增加到 CPU 統計結構的 irq 字段中。
如果當前處于軟中斷執行上下文，那么增加到 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，表示系統正處于空閑狀態。
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, 那么將統計到 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，那么增加到 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。
