聊聊 top 命令中的 CPU 使用率-轻识

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：

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;
};

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：

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();

    // 说明：user_tick 变量标识当前是否处于执行用户应用程序

    if (user_tick) {
        // 1. 如果 CPU 在执行用户程序, 那么调用 account_user_time 进行统计
        account_user_time(p, cputime_one_jiffy, one_jiffy_scaled);
    } else if ((p != rq->idle) || (irq_count() != HARDIRQ_OFFSET)) {
        // 2. 如果 CPU 在执行内核代码, 那么调用 account_system_time 进行统计
        account_system_time(p, HARDIRQ_OFFSET, cputime_one_jiffy,
                            one_jiffy_scaled);
    } else {
        // 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
        account_idle_time(cputime_one_jiffy);
    }
}

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：

void account_user_time(struct task_struct *p, cputime_t cputime,
                       cputime_t cputime_scaled)
{
    // 获取 CPU 的统计结构（每个CPU一个 cpu_usage_stat 结构）
    struct cpu_usage_stat *cpustat = &kstat_this_cpu.cpustat; 
    cputime64_t tmp;
    ...

    // 分 2 种情况统计 CPU 的使用情况
    // 1. 如果进程的 nice 值大于0, 那么将会统计到 nice 字段中
    // 2. 如果进程的 nice 值小于等于0, 那么将会统计到 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：

void account_system_time(struct task_struct *p, int hardirq_offset,
                         cputime_t cputime, cputime_t cputime_scaled)
{
    // 获取 CPU 的统计结构（每个CPU一个 cpu_usage_stat 结构）
    struct cpu_usage_stat *cpustat = &kstat_this_cpu.cpustat;
    cputime64_t tmp;
    ...

    // 主要分 3 种情况进行统计
    // 1. 如果当前处于硬中断执行上下文, 那么统计到 irq 字段中
    // 2. 如果当前处于软中断执行上下文, 那么统计到 softirq 字段中
    // 3. 否则统计到 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：

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 种情况统计 CPU 的使用情况
    // 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
    // 2. 否则将统计到 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：

[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：

CPU总时间 = user + nice + system + idle + wait + irq + softirq + steal
%us = user / CPU总时间
%ni = nice / CPU总时间
%sy = system / CPU总时间
%id = idel / CPU总时间
%wa = wait / CPU总时间
%hi = irq / CPU总时间
%si = softirq / CPU总时间
%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。