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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。

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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)。

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 = &kstat_this_cpu.cpustat;   
    cputime64_t tmp;  
    ...  
    // 分 2 種情況統(tǒng)計(jì) CPU 的使用情況  
    // 1. 如果進(jìn)程的 nice 值大于0, 那么將會(huì)統(tǒng)計(jì)到 nice 字段中  
    // 2. 如果進(jìn)程的 nice 值小于等于0, 那么將會(huì)統(tǒng)計(jì)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(jì)：

•  如果進(jìn)程的 nice 值大于0，那么將會(huì)增加到 CPU 統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)的 nice 字段中。
•  如果進(jìn)程的 nice 值小于等于0，那么增加到 CPU 統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)的 user 字段中。

這里說明一下進(jìn)程 nice 值的作用，nice 值越大，說明進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)越低。所以，nice 統(tǒng)計(jì)值主要用來統(tǒng)計(jì)低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程的占使用 CPU 的情況。也說明了，user 和 nice 統(tǒng)計(jì)值都屬于執(zhí)行用戶程序的 CPU 時(shí)間。

2. 統(tǒng)計(jì)內(nèi)核代碼執(zhí)行時(shí)間

如果在發(fā)生時(shí)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(huì)調(diào)用 account_system_time 函數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，account_system_time 函數(shù)實(shí)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(jì)結(jié)構(gòu)（每個(gè)CPU一個(gè) 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(jìn)行統(tǒng)計(jì)  
    // 1. 如果當(dāng)前處于硬中斷執(zhí)行上下文, 那么統(tǒng)計(jì)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(jì)到 softirq 字段中  
    // 3. 否則統(tǒng)計(jì)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)：

•  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(jì)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(jì)結(jié)構(gòu)的 softirq 字段中。
•  否則增加到 CPU 統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)的 system 字段中。

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

3. idle 進(jìn)程執(zhí)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)中沒有可運(yùn)行的進(jìn)程時(shí)，將會(huì)執(zhí)行 idle 進(jìn)程。也就是說，當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行 idle 進(jìn)程時(shí)，表示系統(tǒng)正處于空閑狀態(tài)。

idle 進(jìn)程執(zhí)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)由 account_idle_time 函數(shù)完成，其實(shí)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(jì) CPU 的使用情況  
    // 1. 如果系統(tǒng)有進(jìn)程正在等待 I/O 操作完成, 那么將統(tǒng)計(jì)到 iowait 字段中  
    // 2. 否則將統(tǒng)計(jì)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)：

•  如果系統(tǒng)中有正在等待 I/O 操作完成的進(jìn)程，那么增加到 CPU 統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)的 iowait 字段中。
•  否則增加到 CPU 統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)的 idle 字段中。

從上面的分析可以看出，iowait 統(tǒng)計(jì)值也屬于空閑時(shí)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(jì)算各種類型的 CPU 使用率。

要獲取各個(gè) 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(gè) CPU 核心的使用情況信息。因?yàn)槲业碾娔X只有一個(gè)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(gè)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(jì)算公式如下： 

CPU總時(shí)間 = user + nice + system + idle + wait + irq + softirq + steal  
%us = user / CPU總時(shí)間  
%ni = nice / CPU總時(shí)間  
%sy = system / CPU總時(shí)間  
%id = idel / CPU總時(shí)間  
%wa = wait / CPU總時(shí)間  
%hi = irq / CPU總時(shí)間  
%si = softirq / CPU總時(shí)間  
%st = steal / CPU總時(shí)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(shí)現(xiàn)原理，希望通過本文，能夠幫助大家對(duì) top 命令有更深的認(rèn)識(shí)。