CPU使用率到底是怎么算出来的？它们之间有什么不同？

CPU使用率是描述系统CPU性能的最常用索引。

CPU使用率是单位时间CPU使用率的统计信息，以百分比显示。那么，** CPU使用率是如何精确计算的呢？然后有％user，％nice，％system，％iowait，％steal等。它们之间有什么区别吗？

CPU使用率

Linux作为多任务操作系统，将每个CPU的时间划分为很短的时间片，然后通过调度程序将它们分配给每个任务，从而产生了多个任务同时运行的错觉。

为了维持CPU时间，Linux通过预定义的心跳率（在内核中表示为HZ）触发时间中断，并使用全局变量Jiffies记录自启动以来的心跳数。每次发生时间中断，Jiffies的值都会增加一。

节拍率HZ是内核的可配置选项，可以将其设置为10 0、 25 0、 1000，依此类推。不同的系统可能会设置不同的值。您可以通过查询/ boot / config内核选项来检查其配置值。示例如下：

$ grep CONFIG_HZ= /boot/config-$(uname -r)
CONFIG_HZ=250

因为拍频HZ是内核选项，所以用户空间程序无法直接访问它。为了方便用户空间程序，内核还提供了用户空间跳动速率USER_HZ，该速率始终固定为100，即1/100秒。这样，用户空间程序不必关心内核中设置了多少HZ，因为它始终会看到固定值USER_HZ。

Linux通过/ proc虚拟文件系统为用户空间提供有关系统内部状态的信息，而/ proc / stat提供系统的CPU和任务统计信息。例如，如果仅关注CPU，则可以执行以下命令：

# 只保留各个CPU的数据
$ cat /proc/stat | grep ^cpu
cpu  280580 7407 286084 172900810 83602 0 583 0 0 0
cpu0 144745 4181 176701 86423902 52076 0 301 0 0 0
cpu1 135834 3226 109383 86476907 31525 0 282 0 0 0

这里的输出是一个表。其中，第一列代表CPU编号，例如cpu 0、 cpu1，第一行中没有数字的cpu代表所有CPU的累加。其他列表示在不同情况下CPU的累积节拍数。它的单位是USER_HZ，它是10毫秒（1/100秒），因此这实际上是不同情况下的CPU时间。

man proc可以理解特定含义，以了解特定指标的含义。在这里，我们重点关注以下指标的含义：

根据此公式，您可以根据/ proc / stat中的数据轻松计算CPU使用率。当然，也可以将每个场景的CPU时间除以总CPU时间，以计算每个场景的CPU使用率。

直接使用/ proc / stat的数据来计算自启动以来节拍数的累积值，因此直接计算是自启动以来的平均CPU使用率，通常没有参考值。

为了计算CPU使用率，性能工具通常每隔一段时间（例如3秒）取两个值，并且在计算出差异之后，在此时间段内的平均CPU使用率计算得出，即：

此公式是各种性能工具看到的CPU使用率的实际计算方法。

现在我知道系统CPU使用率的计算方法，该过程如何？与系统指示器类似，Linux还提供有关每个进程的运行状态的统计信息，即/ proc / [pid] / stat。但是，此文件中包含的数据更丰富，共有52列数据。需要时，只需检查man proc。

回头看，是否意味着要检查CPU使用率，必须首先读取两个文件/ proc / stat和/ proc / [pid] / stat，然后根据上述公式进行计算？

当然不是。各种性能分析工具已经为我们进行了计算。但是，应注意，性能分析工具会按时间间隔给出平均CPU使用率，因此请注意间隔时间的设置，尤其是在使用多个工具进行比较和分析时，必须确保它们使用相同的时间。间隔时间。

例如，比较两个工具top和ps报告的CPU使用率。默认结果可能会有所不同，因为top默认情况下使用3秒间隔，而ps使用过程的整个生命周期。

如何查看CPU使用率

top和ps是最常用的性能分析工具：

例如，top的输出格式为：

# 默认每3秒刷新一次
$ top
top - 11:58:59 up 9 days, 22:47,  1 user,  load average: 0.03, 0.02, 0.00
Tasks: 123 total,   1 running,  72 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
%Cpu(s):  0.3 us,  0.3 sy,  0.0 ni, 99.3 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
KiB Mem :  8169348 total,  5606884 free,   334640 used,  2227824 buff/cache
KiB Swap:        0 total,        0 free,        0 used.  7497908 avail Mem
  PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU %MEM     TIME+ COMMAND
    1 root      20   0   78088   9288   6696 S   0.0  0.1   0:16.83 systemd
    2 root      20   0       0      0      0 S   0.0  0.0   0:00.05 kthreadd
    4 root       0 -20       0      0      0 I   0.0  0.0   0:00.00 kworker/0:0H
...

但是，应该注意，默认情况下top显示所有CPU的平均值。此时，您只需按数字1即可切换到每个CPU的利用率。

空白行是进程的实时信息之后，每个进程都有一个％CPU列，该列指示该进程的CPU使用率。它是用户模式和内核模式CPU使用率的总和，包括进程用户空间使用的CPU，通过系统调用执行的内核空间CPU和等待在就绪队列中运行的CPU。在虚拟化环境中，它还包括正在运行的虚拟机占用的CPU。

top没有用于细分进程的用户模式CPU和内核模式CPU。如何检查每个过程的细节？ pidstat是一个专用于分析每个进程的CPU使用率的工具。

例如，以下pidstat命令以1秒为间隔显示该进程的5组CPU使用率，包括：

最后的“平均值”部分中，还将计算5组数据的平均值。

# 每隔1秒输出一组数据，共输出5组
$ pidstat 1 5
15:56:02      UID       PID    %usr %system  %guest   %wait    %CPU   CPU  Command
15:56:03        0     15006    0.00    0.99    0.00    0.00    0.99     1  dockerd
...
Average:      UID       PID    %usr %system  %guest   %wait    %CPU   CPU  Command
Average:        0     15006    0.00    0.99    0.00    0.00    0.99     -  dockerd

如果CPU使用率过高怎么办？

通过top，ps，pidstat和其他工具，您可以轻松找到CPU使用率较高（例如100％）的进程。接下来，如何查找代码中的哪个功能正在消耗CPU？只有找到它，我们才能更有效，更具体地对其进行优化。

这里推荐Perf。 Perf是Linux 2. 6. 31之后的内置性能分析工具。它基于性能事件采样，不仅可以分析系统的各种事件和内核性能，还可以用于分析指定应用程序的性能问题。

使用性能分析CPU性能问题。这是两种最常见的用法。

第一个常见用法是perf top

类似于顶部，它可以实时显示占用最多CPU时钟的功能或指令，因此可用于查找常用功能。界面如下：

$ perf top
Samples: 833  of event cpu-clock, Event count (approx.): 97742399
Overhead  Shared Object       Symbol
   7.28%  perf                [.] 0x00000000001f78a4
   4.72%  [kernel]            [k] vsnprintf
   4.32%  [kernel]            [k] module_get_kallsym
   3.65%  [kernel]            [k] _raw_spin_unlock_irqrestore
...

在输出结果中，第一行包含三个数据，即样本数（Samples），事件类型（event）和事件总数（Event count）。例如，在此示例中，perf总共收集了833个CPU时钟事件，事件总数为97742399。

此外，样本数量需要特别注意。如果样本数量太少（例如只有十二个样本），那么以下排序和百分比将无实际参考价值。

向下看是一个表格数据，每一行包含四列，即：

以上面的输出为例。可以看出，性能工具本身占用的CPU时钟最多，但其比例仅为7. 28％，表明系统没有CPU性能问题。

第二个常见用法是性能记录和性能报告

Perf top实时显示系统性能信息，但缺点是它不保存数据，因此不能用于脱机或后续分析。性能记录提供保存数据的功能。保存数据后，需要使用性能报告进行分析和显示。

$ perf record # 按Ctrl+C终止采样
[ perf record: Woken up 1 times to write data ]
[ perf record: Captured and wrote 0.452 MB perf.data (6093 samples) ]
$ perf report # 展示类似于perf top的报告

在实际使用中，通常将-g参数添加到perf top和perf记录中，以实现对调用关系的采样，这便于根据调用链分析性能问题。

摘要

CPU使用率是最直观，最常用的系统性能指标，它是在解决性能问题时通常要注意的第一个指标。因此，请熟悉其含义，尤其要弄清楚用户（％user），尼斯（％nice），系统（％system），等待I / O（％iowait），中断（％irq）和软中断（％softirq ）这些不同的CPU的使用率。例如：

当遇到CPU使用率增加的问题时，可以使用诸如top和pidstat之类的工具来确认CPU性能问题的根源。然后使用诸如perf之类的工具找出导致性能问题的特定功能。

本文来自电脑杂谈，转载请注明本文网址：
http://www.pc-fly.com/a/shoujiruanjian/article-362480-1.html