Linux CPU佔用率原理與 精確度分析
1 CPU佔用率計算原理
1.1 相關概念
在Linux/Unix 下,CPU 利用率分為使用者態、系統態和空閒態, 分別表示CPU 處於
使用者態執行的時間,系統核心執行的時間,和空閒系統程序執行的時間。
下面是幾個與CPU 佔用率相關的概念
CPU利用率
CPU 的使用情況。
使用者時間(User time)
表示CPU 執行使用者程序的時間,包括nices時間。通常期望使用者空間CPU 越高
越好。
系統時間(System time)
表示CPU 在核心執行時間,包括IRQ 和softirq 時間。系統CPU 佔用率高,表明
系統某部分存在瓶頸。通常值越低越好。
等待時間(Waiting time)
CPI 在等待I/O 操作完成所花費的時間。系統部應該花費大量時間來等待I/O 操
作,否則就說明I/O 存在瓶頸。
空閒時間(Idle time)
系統處於空閒期,等待程序執行。
Nice時間(Nice time)
系統調整程序優先順序所花費的時間。
硬中斷處理時間(Hard Irq time)
系統處理硬中斷所花費的時間。
軟中斷處理時間(SoftIrq time)
系統處理軟中斷中斷所花費的時間。
丟失時間(Steal time)
被強制等待(involuntary wait )虛擬 CPU 的時間,此時 hypervisor 在為另一個虛擬處理器服務。
下面是我們在top 命令看到的CPU 佔用率資訊及各項值含義。
Cpu(s): 0.2%us, 0.2%sy, 0.0%ni, 99.2%id, 0.5%wa, 0.0%hi, 0.0%si,
0.0%st
us: User time
sy: System time
ni: Nice time
id: Idle time
wa: Waiting time
hi: Hard Irq time
si: SoftIrq time
st: Steal time
1.2 CPU 佔用率計算
L inux CPU 佔用率計算,都是根據/proc/stat 檔案內容計算而來,下面是stat
檔案內容樣例,核心版本不同,會稍有不同,但內容基本一致。
CPU 資訊,cpu 為總的資訊,cpu0 … cpun 為各個具體CPU 資訊
cpu 661733 468 503925 233055573 548835 14244 15849 0
上面共有8 個值(單位:ticks),分別為:
User time , 661733 Nice time , 468
System time , 503925 Idle time ,233055573
Waiting time,548835 Hard Irq time , 14244
SoftIRQ time,15849 Steal time,0
CPU佔用率計算公式如下:
CPU 時間=user+system+nice+idle+iowait+irq+softirq+Stl
%us =(User time + Nice time)/CPU時間*100%
%sy=(System time + Hard Irq time +SoftIRQ time)/CPU時間*100%
%id=(Idle time)/CPU 時間*100%
%ni=(Nice time)/CPU 時間*100%
%wa=(Waiting time)/CPU時間*100%
%hi=(Hard Irq time)/CPU 時間*100%
%si=(SoftIRQ time)/CPU時間*100%
%st=(Steal time)/CPU時間*100%
2 CPU佔用率核心實現
下面以RHEL6 核心原始碼版本2.6.32-220.el6 x86_64 為例,來介紹核心原始碼實現。
/proc/stat 檔案的建立由函式proc_stat_init()實現,在檔案 fs/proc/stat.c 中,在核心
初始化時呼叫。/proc/stat 檔案相關函式時間均在stat.c 檔案中。
對/proc/stat 檔案的讀寫方法為proc_stat_operations。
static const struct file_operations proc_stat_operations = {
.open = stat_open,
.read = seq_read ,
.llseek = seq_lseek ,
.release = single_release,
};
開啟檔案函式stat_open(),函式首先申請大小為size 的記憶體,來存放臨時資料
(也是我們看到的stat 裡的最終資料)。
static int s t at_ ope n( struct inode *inode , struct file *file )
{
unsigned size = 4096 * ( 1 + num_possible_cpus () / 32) ;
char * buf ;
struct seq_file *m ;
int res ;
/ * don't ask for more than the kma lloc() max size, currently 128 KB */
if ( size > 128 * 1024)
size = 128 * 1024;
buf = kmalloc ( size , GFP_KERNEL );
if ( ! buf)
return - ENOMEM;
res = single_open( file , show_stat, NULL);
if ( ! res) {
m = file - >private_data ;
m- >buf = buf;
m- >size = size ;
} else
kfree (buf);
return res;
} ? end stat_open ?
/proc/stat 檔案的資料由show_stat()函式填充。注意42行for_each_possible_cpu(i)
迴圈,是累加計算所有 CPU 的資料,如我們前面的示例看到的/proc/stat 檔案中第一行
cpu 值。
cpu 661733 468 503925 233055573 548835 14244 15849 0
static int show_st a t( struct seq_file *p, void * v)
{
int i, j ;
unsigned long jif;
cputime64_t user, nice, system , idle , iowait, irq , softirq,
steal;
cputime64_t guest ;
u64 sum = 0;
u64 sum_softirq = 0;
unsigned int per_softirq_sums [ NR_SOFTIRQS] = {0};
struct timespec boottime;
user = nice = system = idle = iowait =
irq = softirq = steal = cputime64_zero;
guest = cputime64_zero;
getboottime( &boottime );
jif = boottime .tv_sec;
for_each_possible_cpu ( i ) {
user = cputime64_add (user , kstat_cpu ( i ) .cpustat.user ) ;
nice = cputime64_add (nice , kstat_cpu ( i ) .cpustat.nice ) ;
system = cputime64_add (system,
kstat_cpu ( i ).cpustat.system ) ;
idle = cputime64_add (idle , kstat_cpu ( i ) .cpustat.idle ) ;
idle = cputime64_add (idle , arch_idle_time( i) ) ;
iowait = cputime64_add (iowait ,
kstat_cpu ( i ).cpustat.iowait ) ;
irq = cputime64_add (irq, kstat_cpu ( i ) .cpustat.irq );
softirq = cputime64_add (softirq ,
kstat_cpu ( i ).cpustat.softirq ) ;
steal = cputime64_add (steal, kstat_cpu ( i ).cpustat.steal ) ;
guest = cputime64_add (guest,
kstat_cpu ( i ).cpustat.guest) ;
sum += kstat_cpu_irqs_sum( i);
sum += arch_irq_stat_cpu( i );
for ( j = 0; j < NR_SOFTIRQS; j++) {
unsigned int softirq_stat = kstat_softirqs_cpu( j, i );
per_softirq_sums [ j] += softirq_stat ;
sum_softirq += softirq_stat ;
}
}
sum += arch_irq_stat ();
seq_printf(p ,
"cpu %llu %llu %llu %llu %l lu %llu %llu %llu %llun" ,
( unsigned long long) cputime64_to_clock_t( user ),
( unsigned long long) cputime64_to_clock_t( nice ),
( unsigned long long) cputime64_to_clock_t( system),
( unsigned long long) cputime64_to_clock_t( idle ),
( unsigned long long) cputime64_to_clock_t( iowait ),
( unsigned long long) cputime64_to_clock_t( irq),
( unsigned long long) cputime64_to_clock_t( softirq ),
( unsigned long long) cputime64_to_clock_t( steal),
( unsigned long long) cputime64_to_clock_t( guest) ) ;
計算總的CPU 各個值user 、nice 、system、idle 、iowait 、irq、softirq 、steal後,
就分別計算各個CPU 的使用情況(75~100行)。
for_each_online_cpu ( i ) {
/ * Copy values here to work around gcc- 2.95.3, gcc- 2.96 */
user = kstat_cpu ( i ) .cpustat.user ;
nice = kstat_cpu ( i ) .cpustat.nice ;
system = kstat_cpu ( i ) .cpustat.system ;
idle = kstat_cpu ( i ) .cpustat.idle ;
idle = cputime64_add (idle , arch_idle_time( i) ) ;
iowait = kstat_cpu ( i ).cpustat.iowait ;
irq = kstat_cpu ( i ) .cpustat.irq ;
softirq = kstat_cpu ( i ) .cpustat.softirq ;
steal = kstat_cpu ( i ) .cpustat.steal ;
guest = kstat_cpu ( i ).cpustat.guest;
seq_printf( p ,
"cpu%d %llu %llu %llu %llu % llu %llu %llu %llu %llun" ,
i ,
( unsigned long long) cputime64_to_clock_t( user ),
( unsigned long long) cputime64_to_clock_t( nice ),
( unsigned long long) cputime64_to_clock_t( system),
( unsigned long long) cputime64_to_clock_t( idle ),
( unsigned long long) cputime64_to_clock_t( iowait ),
( unsigned long long) cputime64_to_clock_t( irq),
( unsigned long long) cputime64_to_clock_t( softirq ),
( unsigned long long) cputime64_to_clock_t( steal),
( unsigned long long) cputime64_to_clock_t( guest) ) ;
}
104 行計算所有CPU 上中斷次數,104~105行計算CPU 上每個中斷向量的
中斷次數。注意:/proc/stat 檔案中,將所有可能的 NR_IRQS箇中 斷向量計數
都記錄下來,但我們的機器上通過只是用少量的中斷向量,這就是看到/proc/stat
檔案中,intr 一行後面很多值為0 的原因。
show_stat ()函式最後獲取程序切換次數nctxt、核心啟動的時間btime、
所有建立的程序processes、正在執行程序的數量 procs_running、阻塞的程序數
量procs_blocked和所有 io 等待的程序數量。
seq_printf(p , "intr %llu" , (unsigned long long) sum );
/ * sum again ? it could be updated? */
for_each_irq_nr( j)
seq_printf(p , " %u" , kstat_irqs( j) ) ;
seq_printf( p ,
"nctxt %llun"
"btime %lun"
"processes %lun"
"procs_running %lun"
"procs_blocked %lun",
nr_context_switches(),
( unsigned long) jif ,
total_forks ,
nr_running(),
nr_iowait () ) ;
seq_printf(p , "softirq %llu" , (unsigned long long) sum_softirq);
for ( i = 0; i < NR_SOFTIRQS; i++)
seq_printf( p , " %u" , per_softirq_sums [ i ]);
seq_printf( p , "n" );
return 0;
} ? end show_stat ?
3 Linux CPU佔用率精確性分析
在使用類似top 命令,觀察系統及各程序CPU 佔用率時,可以指定重新整理時間間隔,
以及時重新整理和實時觀察CPU 佔用率。
top 命令預設情況下,是每 3 秒重新整理一次。也可以通過 top -d <重新整理時間間隔> 來
指定重新整理頻率,如top -d 0.1 或top -d 0.01 等。top 執行時,也可以按“s ”鍵,修改
時間間隔。
我們可以將CPU 佔用率重新整理間隔設定很低,如0.01 秒。但過低的重新整理頻率是否能
夠更準確觀察到CPU 佔用率?Linux 系統提供的CPU 佔用率資訊是否足夠精確?
根據前面分析,我們已知 Linux 是根據/proc/stat 檔案的內容來計算CPU 佔用率,也
就是精確度和/proc/stat 提供的資料精確度有關。那麼
(1)/proc/stat 檔案中的內容單位是什麼?
(2)多久會重新整理/proc/stat 中的資料?
cpu 926 0 4160 5894903 2028 0 7 0 0
cpu0 80 0 473 367723 658 0 3 0 0
3.1 /proc/stat中的資料單位精度
/proc/stat 中CPU 資料資訊,單位是ticks。核心中有個全域性變數jiffies ,來記錄系
統啟動以來,經歷的ticks 數量。
cpu1 13 0 200 368639 63 0 0 0 0
ticks(滴答)就是系統時鐘中斷的時間間隔,該值與核心中HZ值有關,即ticks =
1/HZ。HZ值的大小,在核心編譯時可配置的。某臺機器上是RHEL6.1 核心,配置的
HZ值為1000。
[[email protected] boot]# uname -a
Linux ssd 2.6.32-131.0.15.el6.x86_64 #1 SMP Tue May 10 15:42:40 EDT 2011 x86_64 x86_64 x86_64
GNU/Linux
[[email protected] boot]# cat config-2.6.32-131.0.15.el6.x86_64 |grep CONFIG_HZ
CONFIG_HZ_100 is not set
CONFIG_HZ_250 is not set
CONFIG_HZ_300 is not set
CONFIG_HZ_1000=y
CONFIG_HZ=1000
[[email protected] boot]#
HZ 的值,就是每秒的時鐘中斷數量。可以觀察/proc/interrupts 中時鐘中斷值變化,
來計算HZ的值。當HZ的值為1000時,ticks 的單位即為1/1000秒,即1ms 。
E very 5.0s: cat /proc/interrupts |grep LOC
Tue May 15 15:54:22 2012
LOC: 1621246 308599 28013 16995 37126 95699
1159285 2399641 552961 63923 58053
20580 17037 49626 1004223 48133 Local timer interrupts
3.2 CPU利用率統計資訊更新
在時鐘中斷程式中,更新CPU 利用資訊,即每個ticks 更新一次。
include/linux/kernel_stat.h 中,有相應函式介面,專門用來更新CPU 利用率資訊。如
account_user_time()是更新使用者態CPU 資訊。
/ *
* Lock/ unlock the current runqueue - to extract task statistics:
*/
extern unsigned long long t a s k _ de lt a _ e xe c( struct
task_struct *);
extern void acc ount _ us e r _ t im e( struct task_struct *,
cputime_t, cputime_t);
extern void acc ount _ s y s t em _ t im e( struct task_struct *,
int , cputime_t,
cputime_t);
extern void acc ount _ s t e a l_ tim e(cputime_t);
extern void acc ount _ idle _ t i m e(cputime_t);
extern void acc ount _ pr oc e s s _ t ic k(struct task_struct *,
int user);
extern void acc ount _ s t e a l_ tic k s( unsigned long ticks);
extern void acc ount _ idle _ t i c k s( unsigned long ticks);
在核心中有一個per CPU 變數kernel_stat ,專門用來記錄 CPU 利用資訊。其定義在
include/linux/kernel_stat.h 中。
DEC LA R E_ PER _ C PU( struct kernel_stat , kstat);
#define kstat_cpu ( cpu ) per_cpu( kstat, cpu )
每次時鐘中斷時(ticks ),就會更新kernel_stat 變數中各個成員變數的值。/proc/stat
檔案中的值,都是在程式讀取時更新,核心並不會主動更新/proc/stat 中的資料。
/proc/stat 中的CPU 資訊是通過kernel_stat 各個成員變數的值計算而來。
3.3 CPU利用率精確性分析
通過前面分析,我們可以得出以下結論:
(1)Linux CPU 佔用率是根據/proc/stat 檔案中的資料計算而來;
(2)/proc/stat 中的資料精度為ticks ,即1/HZ秒;
(3)核心每個ticks 會更新一次CPU 使用資訊;
(4)CPU 佔用率的精度為1/HZ秒。
4 Linux CPU佔用率是否準確?
有時偶爾會遇到類似問題:在穩定計算壓力下,程序CPU 佔用率不穩定;或者特性
程序CPU 佔用率明顯不準。即在系統切換次數很高時,Linux 的CPU 利用率計算機制可
能不準確。
那麼Linux 的CPU 利用率計算到底是否準確?若可能不準確,則什麼情況下出現這
種情況?
4.1 Linux CPU 佔用率不準確情形
在前面分析中,Linux 核心是在每次時鐘中斷時更新CPU 使用情況,即 1/HZ秒更新
一次。時鐘中斷時,只會看到當前正在執行的程序資訊。以下圖為例,紅色箭頭表示時
鍾中斷(Timer Interrupt )。
第一次中斷時,看到程序A 在執行。但程序 A 執行時間短,程序 B 執行。第二次中
斷時,程序 C 執行;在第三次中斷到來時,再次排程程序 A 執行。第三次此中斷時,進
程C 執行。
按照Linux 核心CPU 佔用率統計方法,在第1 次和第2 次中斷期間,核心並沒有看
到程序B 在執行;於是就漏掉了程序B 使用CPU 的資訊。同樣道理,在第2 次和第3
次中斷期間,漏掉了程序B 使用CPU 的情況。這樣,就導致了Linux 核心CPU 佔用率
統計不準確。
發生CPU佔用率不準確的原因是:在一個時鐘中斷週期內,發生了多次程序排程。
時鐘中斷的精度是1/HZ秒。
4.2 top 命令CPU使用率準確嗎?
只有在一個時鐘中斷週期內發生多次程序排程,才會出現CPU 佔用率不準的情況。
那麼top 命令中CPU 使用率是否準確與程序排程頻率有關。
若HZ的值為250 ,則 ticks 值為4ms ;若 HZ值為1000,則 ticks 值為1ms 。在 HZ
為250 時,只要程序的排程間隔大於4ms ,CPU 佔用率就準確。HZ為1000時,排程
間隔大於1ms ,CPU 佔用率計算就準確。
程序排程次數少,CPU佔用率就準確;排程時間間隔小於時鐘中斷,就可能不準確。
那麼程序排程的時機是怎樣的?如何觀察程序排程次數?
4.2.1 程序排程時機
? 程序狀態轉換的時刻:程序終止、程序睡眠
程序要呼叫sleep()或 exit ()等函式進行狀態轉換,這些函式會主動呼叫排程程
序進行程序排程;
? 當前程序的時間片用完時(current->counter=0 )
由於程序的時間片是由時鐘中斷來更新的
? 裝置驅動程式
當裝置驅動程式執行長而重複的任務時,直接呼叫排程程式。在每次反覆迴圈中,
驅動程式都檢查need_resched的值,如果必要,則呼叫排程程式schedule() 主動放棄
CPU 。
? 程序從中斷、異常及系統呼叫返回到使用者態時
不管是從中斷、異常還是系統呼叫返回,最終都呼叫ret_from_sys_call (),由這
個函式進行排程標誌的檢測,如果必要,則呼叫排程程式。那麼,為什麼從系統呼叫返
回時要呼叫排程程式呢?這當然是從效率考慮。從系統呼叫返回意味著要離開核心態而
返回到使用者態,而狀態的轉換要花費一定的時間,因此,在返回到使用者態前,系統把在
核心態該處理的事全部做完。
4.2.2 程序排程次數觀察
可以通過vmstat 命令,來觀察系統中程序切換次數,cs 域的值就是切換次數。HZ
的值,可以通過核心配置檔案來確定,若/proc/config.gz 存在,匯出這個檔案檢視即可。
也可以通過檢視/proc/sched_debug 檔案內容,來觀察切換次數(nr_switches)。
[[email protected] proc]# watch -d -n 1 ‘cat /proc/sched_debug |grep nr_switches’
我們系統中的程序排程真的那麼頻繁嗎?大多數情況下,Linux 中的CPU 佔用率計
算機制是準確的。
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