Linux CPU利用率计算原理及内核实现

我们经常使用top命令来查看CPU利用率，如

Linux系统中计算CPU利用率是通过读取/proc/stat文件数据而计算得来。CPU利用率计算方法如下：

第一行cpu为总的信息，cpu0 … cpun为各个具体CPU信息

cpu 711 56 2092 7010 104 0 20 0 0 0

上面共有10个值（单位：jiffies），前面8个值分别为：

User time， 711 Nice time， 56

System time， 2092 Idle time，7010

Waiting time，104 Hard Irq time， 0

SoftIRQ time，20 Steal time，0

CPU时间=user+system+nice+idle+iowait+irq+softirq+Stl

%us=(User time + Nice time)/CPU时间*100%

%sy=(System time + Hard Irq time +SoftIRQ time)/CPU时间*100%

%id=(Idle time)/CPU时间*100%

%ni=(Nice time)/CPU时间*100%

%wa=(Waiting time)/CPU时间*100%

%hi=(Hard Irq time)/CPU时间*100%

%si=(SoftIRQ time)/CPU时间*100%

%st=(Steal time)/CPU时间*100%

我们根据/proc/stat文件来分析Linux内核统计数据实现方式。

内核实现

下面以内核源码版本2.6.32-71.29.1.el6 x86_64为例，来介绍内核源码实现。

/proc/stat文件的创建由函数proc_stat_init（）实现，在文件fs/proc/stat.c中，在内核初始化时调用。./proc/stat文件相关函数时间均在stat.c文件中。

对/proc/stat文件的读写方法为proc_stat_operations。

00160: static const struct file_operations proc_stat_operations = {

00161:    .open    = stat_open,

00162:    .read    = seq_read,

00163:    .llseek    = seq_lseek,

00164:    .release    = single_release,

00165: };

打开文件函数stat_open（），函数首先申请大小为size的内存，来存放临时数据（也是我们看到的stat里的最终数据）。

00136: static int stat_open(struct inode *inode, struct file *file)

00137: {

00138:    unsigned size = 4096 * (1 + num_possible_cpus() / 32);

00139:    char *buf;

00140:    struct seq_file *m;

00141:    int res;

00142:

00143:    / * don’t ask for more than the kmalloc() max size, currently 128 KB */

00144:    if (size > 128 * 1024)

00145:    size = 128 * 1024;

00146:    buf = kmalloc(size, GFP_KERNEL);

00147:    if (! buf)

00148:    return – ENOMEM;

00149:

00150:    res = single_open(file, show_stat, NULL);

00151:    if (! res) {

00152:    m = file– >private_data;

00153:    m– >buf = buf;

00154:    m– >size = size;

00155:    } else

00156:    kfree(buf);

00157:    return res;

00158: } ? end stat_open ?

00159:

/proc/stat文件的数据由show_stat（）函数填充。注意43行for_each_possible_cpu(i)循环，
是计算所有CPU的数据，

如我们前面的示例看到的/proc/stat文件中第一行cpu值。

00025: static int show_stat(struct seq_file *p, void *v)

00026: {

00027:    int i, j;

00028:    unsigned long jif;

00029:    cputime64_t user, nice, system, idle, iowait, irq, softirq, steal;

00030:    cputime64_t guest;

00031:    u64 sum = 0;

00032:    u64 sum_softirq = 0;

00033:    unsigned int per_softirq_sums[NR_SOFTIRQS] = {0};

00034:    struct timespec boottime;

00035:    unsigned int per_irq_sum;

00036:

00037:    user = nice = system = idle = iowait =

00038:    irq = softirq = steal = cputime64_zero;

00039:    guest = cputime64_zero;

00040:    getboottime(&boottime);

00041:    jif = boottime.tv_sec;

00042:

00043:    for_each_possible_cpu(i) {

00044:    user = cputime64_add(user, kstat_cpu(i).cpustat.user);

00045:    nice = cputime64_add(nice, kstat_cpu(i).cpustat.nice);

00046:    system = cputime64_add(system, kstat_cpu(i).cpustat.system);

00047:    idle = cputime64_add(idle, kstat_cpu(i).cpustat.idle);

00048:    idle = cputime64_add(idle, arch_idle_time(i));

00049:    iowait = cputime64_add(iowait, kstat_cpu(i).cpustat.iowait);

00050:    irq = cputime64_add(irq, kstat_cpu(i).cpustat.irq);

00051:    softirq = cputime64_add(softirq, kstat_cpu(i).cpustat.softirq);

00052:    steal = cputime64_add(steal, kstat_cpu(i).cpustat.steal);

00053:    guest = cputime64_add(guest, kstat_cpu(i).cpustat.guest);

00054:    for_each_irq_nr(j) {

00055:    sum += kstat_irqs_cpu(j, i);

00056:    }

计算总的CPU各个值user、nice、system、idle、iowait、irq、softirq、steal后，就分别计算各个CPU的使用情况（78~103行）。

00057:    sum += arch_irq_stat_cpu(i);

00058:

00059:    for (j = 0; j < NR_SOFTIRQS; j++) {

00060:    unsigned int softirq_stat = kstat_softirqs_cpu(j, i);

00061:

00062:    per_softirq_sums[j] += softirq_stat;

00063:    sum_softirq += softirq_stat;

00064:    }

00065:    }

00066:    sum += arch_irq_stat();

00067:

00068:    seq_printf(p, “cpu %llu %llu %llu %llu %llu %llu %llu %llu %llu\n”,

00069:    (unsigned long long)cputime64_to_clock_t(user),

00070:    (unsigned long long)cputime64_to_clock_t(nice),

00071:    (unsigned long long)cputime64_to_clock_t(system),

00072:    (unsigned long long)cputime64_to_clock_t(idle),

00073:    (unsigned long long)cputime64_to_clock_t(iowait),

00074:    (unsigned long long)cputime64_to_clock_t(irq),

00075:    (unsigned long long)cputime64_to_clock_t(softirq),

00076:    (unsigned long long)cputime64_to_clock_t(steal),

00077:    (unsigned long long)cputime64_to_clock_t(guest));

00078:    for_each_online_cpu(i) {

00079:

00080:    / * Copy values here to work around gcc- 2.95.3, gcc- 2.96 */

00081:    user = kstat_cpu(i).cpustat.user;

00082:    nice = kstat_cpu(i).cpustat.nice;

00083:    system = kstat_cpu(i).cpustat.system;

00084:    idle = kstat_cpu(i).cpustat.idle;

00085:    idle = cputime64_add(idle, arch_idle_time(i));

00086:    iowait = kstat_cpu(i).cpustat.iowait;

00087:    irq = kstat_cpu(i).cpustat.irq;

00088:    softirq = kstat_cpu(i).cpustat.softirq;

00089:    steal = kstat_cpu(i).cpustat.steal;

00090:    guest = kstat_cpu(i).cpustat.guest;

00091:    seq_printf(p,

00092:    “cpu%d %llu %llu %llu %llu %llu %llu %llu %llu %llu\n”,

00093:    i,

00094:    (unsigned long long)cputime64_to_clock_t(user),

00095:    (unsigned long long)cputime64_to_clock_t(nice),

00096:    (unsigned long long)cputime64_to_clock_t(system),

00097:    (unsigned long long)cputime64_to_clock_t(idle),

00098:    (unsigned long long)cputime64_to_clock_t(iowait),

00099:    (unsigned long long)cputime64_to_clock_t(irq),

00100:    (unsigned long long)cputime64_to_clock_t(softirq),

00101:    (unsigned long long)cputime64_to_clock_t(steal),

00102:    (unsigned long long)cputime64_to_clock_t(guest));

00103:    }

00104:    seq_printf(p, “intr %llu”, (unsigned long long)sum);

00105:

00106:    / * sum again ? it could be updated? */

00107:    for_each_irq_nr(j) {

00108:    per_irq_sum = 0;

00109:    for_each_possible_cpu(i)

00110:    per_irq_sum += kstat_irqs_cpu(j, i);

00111:

00112:    seq_printf(p, ” %u”, per_irq_sum);

00113:    }

00114:

00115:    seq_printf(p,

00116:    “\nctxt %llu\n”

00117:    “btime %lu\n”

00118:    “processes %lu\n”

00119:    “procs_running %lu\n”

00120:    “procs_blocked %lu\n”,

00121:    nr_context_switches(),

00122:    (unsigned long)jif,

00123:    total_forks ,

00124:    nr_running(),

00125:    nr_iowait());

00126:

00127:    seq_printf(p, “softirq %llu”, (unsigned long long)sum_softirq);

00128:

00129:    for (i = 0; i < NR_SOFTIRQS; i++)

00130:    seq_printf(p, ” %u”, per_softirq_sums[i]);

00131:    seq_printf(p, “\n”);

00132:

00133:    return 0;

00134: } ? end show_stat ?

00135:

104行计算所有CPU上中断次数，107~113行计算CPU上每个中断向量的中断次数。注意：/proc/stat文件中，将所有可能的NR_IRQS个中断向量计数都记录下来，但我们的机器上通过只是用少量的中断向量，这就是看到/proc/stat文件中，intr一行后面很多值为0的原因。

show_stat（）函数最后获取进程切换次数nctxt、内核启动的时间btime、所有创建的进程processes、正在运行进程的数量procs_running、阻塞的进程数量procs_blocked和所有io等待的进程数量。

最后我们解释一下user、nice、system、idle、iowait、irq、softirq、steal值的含义：

• 用户时间(User time)
  

表示CPU执行用户进程的时间，包括nices时间。通常期望用户空间CPU越高越好。

• 系统时间(System time)
  

表示CPU在内核运行时间，包括IRQ和softirq时间。系统CPU占用率高，表明系统某部分存在瓶颈。通常值越低越好。

• 等待时间(Waiting time)
  

CPI在等待I/O操作完成所花费的时间。系统部应该花费大量时间来等待I/O操作，否则就说明I/O存在瓶颈。

• 空闲时间(Idle time)
  

系统处于空闲期，等待进程运行。

• Nice时间(Nice time)
  

系统调整进程优先级所花费的时间。

• 硬中断处理时间(Hard Irq time)
  

系统处理硬中断所花费的时间。

• 软中断处理时间(SoftIrq time)
  

系统处理软中断中断所花费的时间。

• 丢失时间(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。