linux概念之cpu分析

浏览数：72 / 时间：2015年06月20日

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Linux CPU占用率原理与精确度分析
1 CPU占用率计算原理
在Linux/Unix 下，CPU 利用率分为用户态、系统态和空闲态，分别表示CPU 处于用户态执行的时间，系统内核执行的时间，和空闲系统进程执行的时间。
下面是top显示的值
1.1%us, 1.6%sy, 0.0%ni, 97.2%id, 0.0%wa, 0.0%hi, 0.1%si, 0.0%st
      us: User time        用户时间
      sy: System time        系统时间
      ni: Nice time        Nice时间
      id: Idle time        空闲时间
      wa: Waiting time        等待时间
      hi: Hard Irq time    硬中断处理时间
      si: SoftIrq time        软中断处理时间
      st: Steal time        丢失时间
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。
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。
系统调整进程优先级所花费的时间。
系统处于空闲期，等待进程运行。
CPU在等待I/O 操作完成所花费的时间。系统不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。
系统处理硬中断所花费的时间。
系统处理软中断所花费的时间。
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。

1.2 CPU 占用率计算
Linux CPU 占用率计算，都是根据/proc/stat文件内容计算而来，下面是stat文件内容样例，内核版本不同，会稍有不同，但内容基本一致。
CPU 信息，cpu 为总的信息，cpu0 … cpun 为各个具体CPU 信息
cpu 661733 468 503925 233055573 548835 14244 15849 0
       上面共有8 个值（单位：ticks），分别为：
       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占用率计算公式如下：
     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%

2 CPU占用率内核实现
下面以RHEL6 内核源码版本2.6.32-220.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。
3 Linux CPU占用率精确性分析
在使用类似top 命令，观察系统及各进程CPU 占用率时，可以指定刷新时间间隔，以及时刷新和实时观察CPU 占用率。top 命令默认情况下，是每 3 秒刷新一次。也可以通过 top -d <刷新时间间隔> 来指定刷新频率，如top -d 0.1 或top -d 0.01 等。top 执行时，也可以按“s ”键，修改时间间隔。
我们可以将CPU 占用率刷新间隔设置很低，如0.01 秒。但过低的刷新频率是否能够更准确观察到CPU 占用率？Linux 系统提供的CPU 占用率信息是否足够精确？
根据前面分析，我们已知 Linux 是根据/proc/stat 文件的内容来计算CPU 占用率，也就是精确度和/proc/stat 提供的数据精确度有关。那么
（1）/proc/stat 文件中的内容单位是什么？
（2）多久会刷新/proc/stat 中的数据？
cpu    926 0 4160 5894903 2028 0 7 0 0
cpu0    80 0 473 367723 658 0 3 0 0
3.1 /proc/stat中的数据单位精度
/proc/stat 中CPU 数据信息，单位是ticks。内核中有个全局变量jiffies ，来记录系统启动以来，经历的ticks 数量。

[root@250-shiyan boot]# cat /proc/sched_debug|grep ji
.jiffies : 9645728927
[root@250-shiyan boot]# cat /proc/stat
cpu 216511 1316 58661 534345575 29219 2170 3034 0 0
ticks（滴答）就是系统时钟中断的时间间隔，该值与内核中HZ值有关，即ticks = 1/HZ。HZ值的大小，在内核编译时可配置的。某台机器上是RHEL6.1 内核，配置的HZ值为1000。
[root@ssd 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
[root@250-shiyan boot]# cat /boot/config-2.6.32-431.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
HZ 的值，就是每秒的时钟中断数量。可以观察/proc/interrupts 中时钟中断值变化，来计算HZ的值。当HZ的值为1000时，ticks 的单位即为1/1000秒，即1ms 。
[root@250-shiyan boot]# cat /proc/interrupts |grep LOC
LOC: 30099358 Local timer interrupts
3.2
/proc/stat文件中的值，都是在程序读取时更新，内核并不会主动更新/proc/stat 中的数据。
/proc/stat 中的CPU 信息是通过kernel_stat 各个成员变量的值计算而来。
3.3 CPU利用率精确性分析
通过前面分析，我们可以得出以下结论：
（1）Linux CPU 占用率是根据/proc/stat 文件中的数据计算而来；
（2）/proc/stat 中的数据精度为ticks ，即1/HZ秒；
（3）内核每个ticks 会更新一次CPU 使用信息；
（4）CPU 占用率的精度为1/HZ秒。
4 Linux CPU占用率是否准确？
有时偶尔会遇到类似问题：在稳定计算压力下，进程CPU 占用率不稳定；或者特性进程CPU 占用率明显不准。即在系统切换次数很高时，Linux 的CPU 利用率计算机制可能不准确。那么Linux 的CPU 利用率计算到底是否准确？若可能不准确，则什么情况下出现这种情况？
4.1 Linux CPU 占用率不准确情形
在前面分析中，Linux 内核是在每次时钟中断时更新CPU 使用情况，即 1/HZ秒更新一次。时钟中断时，只会看到当前正在运行的进程信息。以下图为例，红色箭头表示时钟中断（Timer Interrupt ）。
第一次中断时，看到进程A 在运行。但进程 A 运行时间短，进程 B 运行。第二次中断时，进程 C 运行；在第三次中断到来时，再次调度进程 A 执行。第三次此中断时，进程C 运行。
按照Linux 内核CPU 占用率统计方法，在第1 次和第2 次中断期间，内核并没有看到进程B 在运行；于是就漏掉了进程B 使用CPU 的信息。同样道理，在第2 次和第3次中断期间，漏掉了进程B 使用CPU 的情况。这样，就导致了Linux 内核CPU 占用率统计不准确。
发生CPU占用率不准确的原因是：在一个时钟中断周期内，发生了多次进程调度。时钟中断的精度是1/HZ秒。
4.2 top 命令CPU使用率准确吗？
只有在一个时钟中断周期内发生多次进程调度，才会出现CPU 占用率不准的情况。那么top 命令中CPU 使用率是否准确与进程调度频率有关。若HZ的值为250 ，则 ticks 值为4ms ；若 HZ值为1000，则 ticks 值为1ms 。在 HZ为250 时，只要进程的调度间隔大于4ms ，CPU 占用率就准确。HZ为1000时，调度间隔大于1ms ，CPU 占用率计算就准确。进程调度次数少，CPU占用率就准确；调度时间间隔小于时钟中断，就可能不准确。那么进程调度的时机是怎样的？如何观察进程调度次数？
4.2.1 进程调度时机
1.进程状态转换的时刻：进程终止、进程睡眠
进程要调用sleep（）或 exit （）等函数进行状态转换，这些函数会主动调用调度程序进行进程调度；
2.当前进程的时间片用完时（current->counter=0 ）
由于进程的时间片是由时钟中断来更新的
3.设备驱动程序
当设备驱动程序执行长而重复的任务时，直接调用调度程序。在每次反复循环中，驱动程序都检查need_resched的值，如果必要，则调用调度程序schedule() 主动放弃CPU 。
4.进程从中断、异常及系统调用返回到用户态时
不管是从中断、异常还是系统调用返回，最终都调用ret_from_sys_call （），由这个函数进行调度标志的检测，如果必要，则调用调度程序。那么，为什么从系统调用返回时要调用调度程序呢？这当然是从效率考虑。从系统调用返回意味着要离开内核态而返回到用户态，而状态的转换要花费一定的时间，因此，在返回到用户态前，系统把在内核态该处理的事全部做完。
4.2.2 进程调度次数观察
可以通过vmstat 命令，来观察系统中进程切换次数，cs 域的值就是切换次数。HZ的值，可以通过内核配置文件来确定，若/proc/config.gz 存在，导出这个文件查看即可。
也可以通过查看/proc/sched_debug 文件内容，来观察切换次数（nr_switches）。
[root@ssd proc]# watch -d -n 1 ‘cat /proc/sched_debug |grep nr_switches‘

我们系统中的进程调度真的那么频繁吗？大多数情况下，Linux 中的CPU 占用率计算机制是准确的。