平常我們使用 top 命令來(lái)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(lái)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(lái)等待 IO 操作，否則就說(shuō)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(lái)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(lái)分析它們到底代表什么。

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(lái)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(lái)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(guò) cpu_usage_stat 結(jié)構(gòu)來(lái)記錄，我們來(lái)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(lái)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(lái)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(shuō)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(shuō)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(shuō)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(guò) account_user_time 函數(shù)來(lái)完成的，我們來(lái)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(shuō)明一下進(jìn)程 nice 值的作用，nice 值越大，說(shuō)明進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)越低。所以，nice 統(tǒng)計(jì)值主要用來(lái)統(tǒng)計(jì)低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程的占使用 CPU 的情況。也說(shuō)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(shuō)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(méi)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(shuō)，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(guò)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(lái)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(guò)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(kāi)始表示每個(gè) CPU 核心的使用情況信息。因?yàn)槲业?a href="http://www.3532n.com/v/tag/1247/" target="_blank">電腦只有一個(gè)核，所以只有一條數(shù)據(jù)。

下面說(shuō)說(shuō)這些數(shù)據(jù)的意義，從第一個(gè)數(shù)值開(kāi)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(lái)還是挺簡(jiǎn)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(guò)本文，能夠幫助大家對(duì) top 命令有更深的認(rèn)識(shí)。

責(zé)任編輯：haq