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Linux 中 CPU 利用率是如何算出来的？

作者: 良许 220阅读 0评论

在线上服务器观察线上服务运行状态的时候，绝大多数人都是喜欢先用 top 命令看看当前系统的整体 cpu 利用率。例如，随手拿来的一台机器，top 命令显示的利用率信息如下

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今天我们将深入探讨CPU利用率统计，并揭示其实现的内在细节。尽管其输出看似简单，但其背后蕴含着复杂的计算机科学原理，需要我们仔细探究。在我们着手分析之前，让我们先思考以下几个问题：

首先，对于问题一，我们需要探究top命令输出的利用率信息是如何计算出来的，以及其精确度如何。这涉及到对CPU活动的精准度量化和统计方法的理解，需要我们深入挖掘。

其次，问题二引发了对于top命令输出中的”ni”列的探究，这一列所反映的是CPU在处理任务时的“nice”值，但究竟什么是“nice”值，以及它如何影响CPU的负载？这需要我们进一步理解CPU调度算法和进程优先级的相关概念。

最后，问题三则直指了”wa”列所代表的IO等待时间，但在这段时间内CPU究竟是处于忙碌状态还是空闲状态？这个问题涉及到CPU与IO设备之间的交互以及多任务处理的复杂性，需要我们对操作系统的IO调度机制有着更深入的了解。

通过对这些问题的探究和解答，我们将更深入地理解CPU利用率统计的实现细节，以及与之相关的指标，为我们对系统性能的评估和优化提供更为扎实的基础。在我们深入探究Linux实现之前，让我们先从这些问题出发，自己动手思考并寻找答案！

一、先思考一下

抛开 Linux 的实现先不谈，如果有如下需求，有一个四核服务器，上面跑了四个进程。

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让你来设计计算整个系统 cpu 利用率的这个需求，支持像 top 命令这样的输出，满足以下要求：

  • cpu 使用率要尽可能地准确
  • 要能地体现秒级瞬时 cpu 状态

可以先停下来阅读思考几分钟。

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好，思考结束。经过思考你会发现，这个看起来很简单的需求，实际还是有点小复杂的。

其中一个思路是把所有进程的执行时间都加起来，然后再除以系统执行总时间*4。

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这个思路是没问题的，用这种方法统计很长一段时间内的 cpu 利用率是可以的，统计也足够的准确。

但只要用过 top 你就知道 top 输出的 cpu 利用率并不是长时间不变的，而是默认 3 秒为单位会动态更新一下（这个时间间隔可以使用 -d 设置）。我们的这个方案体现总利用率可以，体现这种瞬时的状态就难办了。你可能会想到那我也 3 秒算一次不就行了？但这个 3 秒的时间从哪个点开始呢。粒度很不好控制。

上一个思路问题核心就是如何解决瞬时问题。提到瞬时状态，你可能就又来思路了。那我就用瞬时采样去看，看看当前有几个核在忙。四个核中如果有两个核在忙，那利用率就是 50%。

这个思路思考的方向也是正确的，但是问题有两个：

  • 你算出的数字都是 25% 的整数倍
  • 这个瞬时值会导致 cpu 使用率显示的剧烈震荡。

比如下图：

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在 t1 的瞬时状态看来，系统的 cpu 利用率毫无疑问就是 100%，但在 t2 时间看来，使用率又变成 0% 了。思路方向是对的，但显然这种粗暴的计算无法像 top 命令一样优雅地工作。

我们再改进一下它，把上面两个思路结合起来，可能就能解决我们的问题了。在采样上，我们把周期定的细一些，但在计算上我们把周期定的粗一些。

我们引入采用周期的概念，定时比如每 1 毫秒采样一次。如果采样的瞬时，cpu 在运行，就将这 1 ms 记录为使用。这时会得出一个瞬时的 cpu 使用率，把它都存起来。

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在统计 3 秒内的 cpu 使用率的时候，比如上图中的 t1 和 t2 这段时间范围。那就把这段时间内的所有瞬时值全加一下，取个平均值。这样就能解决上面的问题了，统计相对准确，避免了瞬时值剧烈震荡且粒度过粗（只能以 25 %为单位变化）的问题了。

可能有同学会问了，假如 cpu 在两次采样中间发生变化了呢，如下图这种情况。

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在当前采样点到来的时候，进程 A 其实刚执行完，有一点点时间没有既没被上一个采样点统计到，本次也统计不到。对于进程 B，其实只开始了一小段时间，把 1 ms 全记上似乎有点多记了。

确实会存在这个问题，但因为我们的采样是 1 ms 一次，而我们实际查看使用的时候最少也有是秒级别地用，会包括有成千上万个采样点的信息，所以这种误差并不会影响我们对全局的把握。

事实上，Linux 也就是这样来统计系统 cpu 利用率的。虽然可能会有误差，但作为一项统计数据使用已经是足够了的。在实现上，Linux 是将所有的瞬时值都累加到某一个数据上的，而不是真的存了很多份的瞬时数据。

接下来就让我们进入 Linux 来查看它对系统 cpu 利用率统计的具体实现。

二、top 命令使用数据在哪儿

上一节我们说的 Linux 在实现上是将瞬时值都累加到某一个数据上的，这个值是内核通过 /proc/stat 伪文件来对用户态暴露。Linux 在计算系统 cpu 利用率的时候用的就是它。

整体上看，top 命令工作的内部细节如下图所示。

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  • top 命令访问 /proc/stat 获取各项 cpu 利用率使用值
  • 内核调用 stat_open 函数来处理对 /proc/stat 的访问
  • 内核访问的数据来源于 kernel_cpustat 数组，并汇总
  • 打印输出给用户态

接下来我们把每一步都展开来详细看看。

通过使用 strace 跟踪 top 命令的各种系统调用，可以看的到它对该文件的调用。

# strace top
...
openat(AT_FDCWD, "/proc/stat", O_RDONLY) = 4
openat(AT_FDCWD, "/proc/2351514/stat", O_RDONLY) = 8
openat(AT_FDCWD, "/proc/2393539/stat", O_RDONLY) = 8
...

 

除了 /proc/stat 外，还有各个进程细分的 /proc/{pid}/stat，是用来计算各个进程的 cpu 利用率时使用的。

内核为各个伪文件都定义了处理函数，/proc/stat 文件的处理方法是 proc_stat_operations。

//file:fs/proc/stat.c
static int __init proc_stat_init(void)
{
 proc_create("stat", 0, NULL, &proc_stat_operations);
 return 0;
}

static const struct file_operations proc_stat_operations = {
 .open  = stat_open,
 ...
};

proc_stat_operations 中包含了该文件时对应的操作方法。当打开 /proc/stat 文件的时候，stat_open 就会被调用到。stat_open 依次调用 single_open_size，show_stat 来输出数据内容。我们来看看它的代码：

//file:fs/proc/stat.c
static int show_stat(struct seq_file *p, void *v)
{
 u64 user, nice, system, idle, iowait, irq, softirq, steal;

 for_each_possible_cpu(i) {
  struct kernel_cpustat *kcs = &kcpustat_cpu(i);

  user += kcs->cpustat[CPUTIME_USER];
  nice += kcs->cpustat[CPUTIME_NICE];
  system += kcs->cpustat[CPUTIME_SYSTEM];
  idle += get_idle_time(kcs, i);
  iowait += get_iowait_time(kcs, i);
  irq += kcs->cpustat[CPUTIME_IRQ];
  softirq += kcs->cpustat[CPUTIME_SOFTIRQ];
  ...
 }

 //转换成节拍数并打印出来
 seq_put_decimal_ull(p, "cpu  ", nsec_to_clock_t(user));
 seq_put_decimal_ull(p, " ", nsec_to_clock_t(nice));
 seq_put_decimal_ull(p, " ", nsec_to_clock_t(system));
 seq_put_decimal_ull(p, " ", nsec_to_clock_t(idle));
 seq_put_decimal_ull(p, " ", nsec_to_clock_t(iowait));
 seq_put_decimal_ull(p, " ", nsec_to_clock_t(irq));
 seq_put_decimal_ull(p, " ", nsec_to_clock_t(softirq));
 ...
}

在上面的代码中，for_each_possible_cpu 是在遍历存储着 cpu 使用率数据的 kcpustat_cpu 变量。该变量是一个 percpu 变量，它为每一个逻辑核都准备了一个数组元素。里面存储着当前核所对应各种事件，包括 user、nice、system、idel、iowait、irq、softirq 等。

在这个循环中，将每一个核的每种使用率都加起来。最后通过 seq_put_decimal_ull 将这些数据输出出来。

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注意，在内核中实际每个时间记录的是纳秒数，但是在输出的时候统一都转化成了节拍单位。至于节拍单位多长，下一节我们介绍。总之， /proc/stat 的输出是从 kernel_cpustat 这个 percpu 变量中读取出来的。

我们接着再看看这个变量中的数据是何时加进来的。

三、统计数据怎么来的

前面我们提到内核是以采样的方式来统计 cpu 使用率的。这个采样周期依赖的是 Linux 时间子系统中的定时器。

Linux 内核每隔固定周期会发出 timer interrupt (IRQ 0)，这有点像乐谱中的节拍的概念。每隔一段时间，就打出一个拍子，Linux 就响应之并处理一些事情。

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一个节拍的长度是多长时间，是通过 CONFIG_HZ 来定义的。它定义的方式是每一秒有几次 timer interrupts。不同的系统中这个节拍的大小可能不同，通常在 1 ms 到 10 ms 之间。可以在自己的 Linux config 文件中找到它的配置。

# grep ^CONFIG_HZ /boot/config-5.4.56.bsk.10-amd64
CONFIG_HZ=1000

从上述结果中可以看出，我的机器的每秒要打出 1000 次节拍。也就是每 1 ms 一次。

每次当时间中断到来的时候，都会调用 update_process_times 来更新系统时间。更新后的时间都存储在我们前面提到的 percpu 变量 kcpustat_cpu 中。

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我们来详细看下汇总过程 update_process_times 的源码，它位于 kernel/time/timer.c 文件中。

//file:kernel/time/timer.c
void update_process_times(int user_tick)
{
 struct task_struct *p = current;

 //进行时间累积处理
 account_process_tick(p, user_tick);
 ...
}

这个函数的参数 user_tick 值得是采样的瞬间是处于内核态还是用户态。接下来调用 account_process_tick。

//file:kernel/sched/cputime.c
void account_process_tick(struct task_struct *p, int user_tick)
{
 cputime = TICK_NSEC;
 ...

 if (user_tick)
  //3.1 统计用户态时间
  account_user_time(p, cputime);
 else if ((p != rq->idle) || (irq_count() != HARDIRQ_OFFSET))
  //3.2 统计内核态时间
  account_system_time(p, HARDIRQ_OFFSET, cputime);
 else
  //3.3 统计空闲时间
  account_idle_time(cputime);
}

在这个函数中，首先设置 cputime = TICK_NSEC, 一个 TICK_NSEC 的定义是一个节拍所占的纳秒数。接下来根据判断结果分别执行 account_user_time、account_system_time 和 account_idle_time 来统计用户态、内核态和空闲时间。

3.1 用户态时间统计

//file:kernel/sched/cputime.c
void account_user_time(struct task_struct *p, u64 cputime)
{
 //分两种种情况统计用户态 CPU 的使用情况
 int index;
 index = (task_nice(p) > 0) ? CPUTIME_NICE : CPUTIME_USER;

 //将时间累积到 /proc/stat 中
 task_group_account_field(p, index, cputime);
 ......
}

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。

看到这里，开篇的问题 2 就有答案了，其实用户态的时间不只是 user 字段，nice 也是。之所以要把 nice 分出来，是为了让 Linux 用户更一目了然地看到调过 nice 的进程所占的 cpu 周期有多少。

我们平时如果想要观察系统的用户态消耗的时间的话，应该是将 top 中输出的 user 和 nice 加起来一并考虑，而不是只看 user！

接着调用 task_group_account_field 来把时间加到前面我们用到的 kernel_cpustat 内核变量中。

//file:kernel/sched/cputime.c
static inline void task_group_account_field(struct task_struct *p, int index,
      u64 tmp)
{
 __this_cpu_add(kernel_cpustat.cpustat[index], tmp);
 ...
}

3.2 内核态时间统计

我们再来看内核态时间是如何统计的，找到 account_system_time 的代码。

//file:kernel/sched/cputime.c
void account_system_time(struct task_struct *p, int hardirq_offset, u64 cputime)
{
 if (hardirq_count() - hardirq_offset)
  index = CPUTIME_IRQ;
 else if (in_serving_softirq())
  index = CPUTIME_SOFTIRQ;
 else
  index = CPUTIME_SYSTEM;

 account_system_index_time(p, cputime, index);
}

内核态的时间主要分 3 种情况进行统计。

  • 如果当前处于硬中断执行上下文, 那么统计到 irq 字段中
  • 如果当前处于软中断执行上下文, 那么统计到 softirq 字段中
  • 否则统计到 system 字段中

判断好要加到哪个统计项中后，依次调用 account_system_index_time、task_group_account_field 来将这段时间加到内核变量 kernel_cpustat 中

//file:kernel/sched/cputime.c
static inline void task_group_account_field(struct task_struct *p, int index,
      u64 tmp)
{ 
 __this_cpu_add(kernel_cpustat.cpustat[index], tmp);
}

3.3 空闲时间的累积

没错，在内核变量 kernel_cpustat 中不仅仅是统计了各种用户态、内核态的使用统计，空闲也一并统计起来了。

如果在采样的瞬间，cpu 既不在内核态也不在用户态的话，就将当前节拍的时间都累加到 idle 中。

//file:kernel/sched/cputime.c
void account_idle_time(u64 cputime)
{
 u64 *cpustat = kcpustat_this_cpu->cpustat;
 struct rq *rq = this_rq();

 if (atomic_read(&rq->nr_iowait) > 0)
  cpustat[CPUTIME_IOWAIT] += cputime;
 else
  cpustat[CPUTIME_IDLE] += cputime;
}

在 cpu 空闲的情况下，进一步判断当前是不是在等待 IO（例如磁盘 IO），如果是的话这段空闲时间会加到 iowait 中，否则就加到 idle 中。从这里，我们可以看到 iowait 其实是 cpu 的空闲时间，只不过是在等待 IO 完成而已。

看到这里，开篇问题 3 也有非常明确的答案了，io wait 其实是 cpu 在空闲状态的一项统计，只不过这种状态和 idle 的区别是 cpu 是因为等待 io 而空闲。

四、总结

本文深入分析了 Linux 统计系统 CPU 利用率的内部原理。全文的内容可以用如下一张图来汇总：

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Linux 中的定时器会以某个固定节拍，比如 1 ms 一次采样各个 cpu 核的使用情况，然后将当前节拍的所有时间都累加到 user/nice/system/irq/softirq/io_wait/idle 中的某一项上。

top 命令是读取的 /proc/stat 中输出的 cpu 各项利用率数据，而这个数据在内核中的是根据 kernel_cpustat 来汇总并输出的。

回到开篇问题 1，top 输出的利用率信息是如何计算出来的，它精确吗？

/proc/stat 文件输出的是某个时间点的各个指标所占用的节拍数。如果想像 top 那样输出一个百分比，计算过程是分两个时间点 t1, t2 分别获取一下 stat 文件中的相关输出，然后经过个简单的算术运算便可以算出当前的 cpu 利用率。

我也提供了一个简单的 shell 代码，你可以把它下载下来，用它来实际查看一下你服务器的 cpu 利用率，我放到我的 github 上了。

Github 地址：https://github.com/yanfeizhang/coder-kung-fu/blob/main/tests/cpu/test06/cpu_stat.sh

再说是否精确。这个统计方法是采样的，只要是采样，肯定就不是百分之百精确。但由于我们查看 cpu 使用率的时候往往都是计算 1 秒甚至更长一段时间的使用情况，这其中会包含很多采样点，所以查看整体情况是问题不大的。

另外从本文，我们也学到了 top 中输出的 cpu 时间项目其实大致可以分为三类：

第****一类：用户态消耗时间，包括 user 和 nice。如果想看用户态的消耗，要将 user 和 nice 加起来看才对。

第二类：内核态消耗时间，包括 irq、softirq 和 system。

第三类：空闲时间，包括 io_wait 和 idle。其中 io_wait 也是 cpu 的空闲状态，只不过是在等 io 完成而已。如果只是想看 cpu 到底有多闲，应该把 io_wait 和 idle 加起来才对。

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作者: 良许

良许，世界500强企业Linux开发工程师，公众号【良许Linux】的作者，全网拥有超30W粉丝。个人标签：创业者，CSDN学院讲师，副业达人，流量玩家，摄影爱好者。
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