top命令很占cpu 聊聊top命令中的

平常我们使用 top 命令来查看系统的性能情况，在 top 命令中可以看到很多不同类型的 CPU 使用率，如下图红框中标出部分：

下面，我们来介绍一下这些 CPU 使用率的意义：

• us：user time，表示 CPU 执行用户进程的时间，包括 nice 时间。通常都是希望用户空间CPU越高越好。
• sy：system time，表示 CPU 在内核运行的时间，包括 IRQ 和 softirq。系统 CPU 占用越高，表明系统某部分存在瓶颈。通常这个值越低越好。
• ni：nice time，具有优先级的用户进程执行时占用的 CPU 利用率百分比。
• id：idle time，表示系统处于空闲期，等待进程运行。
• wa：waiting time，表示 CPU 在等待 IO 操作完成所花费的时间。系统不应该花费大量的时间来等待 IO 操作，否则就说明 IO 存在瓶颈。
• hi：hard IRQ time，表示系统处理硬中断所花费的时间。
• si：soft IRQ time，表示系统处理软中断所花费的时间。
• st：steal time，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。

当然，单靠上面的解释来理解它们的意义还是比较困难的。所以，本文主要从源码的角度来分析它们到底代表什么。

首先，我们要知道统计 CPU 使用情况在什么地方执行的。在分析之前，我们先来了解下 时钟中断：

时钟中断：是一种硬中断，由时间硬件（系统定时器，一种可编程硬件）产生。当 CPU 接收到时钟中断信号后，会在处理完当前指令后调用 时钟中断处理程序 来完成更新系统时间、执行周期性任务等。

可以发现，统计 CPU 使用情况是在 时钟中断处理程序 中完成的。

每个 CPU 的使用情况通过 cpu_usage_stat 结构来记录，我们来看看其定义：

structcpu_usage_stat{ cputime64_tuser; cputime64_tnice; cputime64_tsystem; cputime64_tsoftirq; cputime64_tirq; cputime64_tidle; cputime64_tiowait; cputime64_tsteal; cputime64_tguest; };

从 cpu_usage_stat 结构的定义可以看出，其每个字段与 top 命令的 CPU 使用率类型一一对应。在内核初始化时，会为每个 CPU 创建一个 cpu_usage_stat 结构，用于统计 CPU 的使用情况。

OK，现在我们来分析下内核是怎么统计 CPU 的使用情况的。

每次执行 时钟中断处理程序 都会调用 account_process_tick 函数进行 CPU 使用情况统计，我们来分析一下 account_process_tick 函数的实现：

voidaccount_process_tick(structtask_struct*p,intuser_tick) { cputime_tone_jiffy_scaled=cputime_to_scaled(cputime_one_jiffy); structrq*rq=this_rq(); //说明：user_tick 变量标识当前是否处于执行用户应用程序 if(user_tick){ //1.如果CPU在执行用户程序,那么调用account_user_time进行统计 account_user_time(p,cputime_one_jiffy,one_jiffy_scaled); }elseif((p!=rq->idle)||(irq_count()!=HARDIRQ_OFFSET)){ //2.如果CPU在执行内核代码,那么调用account_system_time进行统计 account_system_time(p,HARDIRQ_OFFSET,cputime_one_jiffy, one_jiffy_scaled); }else{ //3.否则说明CPU在执行idle进程(也就是处于空闲状态),那么调用account_idle_time进行统计 account_idle_time(cputime_one_jiffy); } }

account_process_tick 函数主要分 3 种情况进行统计，如下：

• 如果 CPU 在执行用户程序，那么调用 account_user_time 进行统计。
• 如果 CPU 在执行内核代码，那么调用 account_system_time 进行统计。
• 否则说明 CPU 在执行 idle 进程(也就是处于空闲状态)，那么调用 account_idle_time 进行统计。

CPU 使用情况统计

下面我们分别对这 3 种统计进行分析。

1. 统计用户程序执行时间

统计用户程序的执行时间是通过 account_user_time 函数来完成的，我们来看看其实现：

voidaccount_user_time(structtask_struct*p,cputime_tcputime, cputime_tcputime_scaled) { //获取CPU的统计结构（每个CPU一个cpu_usage_stat结构） structcpu_usage_stat*cpustat=&kstat_this_cpu.cpustat; cputime64_ttmp; ... //分2种情况统计CPU的使用情况 //1.如果进程的nice值大于0,那么将会统计到nice字段中 //2.如果进程的nice值小于等于0,那么将会统计到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。

这里说明一下进程 nice 值的作用，nice 值越大，说明进程的优先级越低。所以，nice 统计值主要用来统计低优先级进程的占使用 CPU 的情况。也说明了，user 和 nice 统计值都属于执行用户程序的 CPU 时间。

2. 统计内核代码执行时间

如果在发生时钟中断前，CPU 处于内核态，也就是说在执行内核代码。那么将会调用 account_system_time 函数进行统计，account_system_time 函数实现如下：

voidaccount_system_time(structtask_struct*p,inthardirq_offset, cputime_tcputime,cputime_tcputime_scaled) { //获取CPU的统计结构（每个CPU一个cpu_usage_stat结构） structcpu_usage_stat*cpustat=&kstat_this_cpu.cpustat; cputime64_ttmp; ... //主要分3种情况进行统计 //1.如果当前处于硬中断执行上下文,那么统计到irq字段中 //2.如果当前处于软中断执行上下文,那么统计到softirq字段中 //3.否则统计到system字段中 if(hardirq_count()-hardirq_offset) cpustat->irq=cputime64_add(cpustat->irq,tmp); elseif(softirq_count()) cpustat->softirq=cputime64_add(cpustat->softirq,tmp); else cpustat->system=cputime64_add(cpustat->system,tmp); ... }

account_system_time 函数主要分 3 种情况进行统计：

• 如果当前处于硬中断执行上下文，那么增加到 CPU 统计结构的 irq 字段中。
• 如果当前处于软中断执行上下文，那么增加到 CPU 统计结构的 softirq 字段中。
• 否则增加到 CPU 统计结构的 system 字段中。

从上面代码可以看出，irq 和 softirq 统计值也算是内核代码执行时间。

3. idle 进程执行时间统计

当系统中没有可运行的进程时，将会执行 idle 进程。也就是说，当系统执行 idle 进程时，表示系统正处于空闲状态。

idle 进程执行时间统计由 account_idle_time 函数完成，其实现如下：

voidaccount_idle_time(cputime_tcputime) { structcpu_usage_stat*cpustat=&kstat_this_cpu.cpustat; cputime64_tcputime64=cputime_to_cputime64(cputime); structrq*rq=this_rq(); //分2种情况统计CPU的使用情况 //1.如果系统有进程正在等待I/O操作完成,那么将统计到iowait字段中 //2.否则将统计到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 函数也分两种情况进行统计：

• 如果系统中有正在等待 I/O 操作完成的进程，那么增加到 CPU 统计结构的 iowait 字段中。
• 否则增加到 CPU 统计结构的 idle 字段中。

从上面的分析可以看出，iowait 统计值也属于空闲时间的一种。

top 命令的 CPU 使用率

通过源码分析，我们知道 top 命令中 CPU 使用率各种类型的意思，现在我们来介绍一下 top 命令是怎么计算各种类型的 CPU 使用率。

要获取各个 CPU 的使用情况信息，可以通过读取 /proc/stat 文件获取，如下：

[vagrant@localhost~]$cat/proc/stat cpu245101142109792395028000 cpu0245101142109792395028000 ...

上面的结果显示了 CPU 的使用情况信息，第一行代表所有 CPU 的总和，而第二行开始表示每个 CPU 核心的使用情况信息。因为我的电脑只有一个核，所以只有一条数据。

下面说说这些数据的意义，从第一个数值开始分别代表：user ，nice，system，idle，iowait， irq，softirq，steal。

所以，top 命令的 CPU 使用率计算公式如下：

CPU总时间 = user nice system idle wait irq softirq steal %us = user / CPU总时间 %ni = nice / CPU总时间 %sy = system / CPU总时间 %id = idel / CPU总时间 %wa = wait / CPU总时间 %hi = irq / CPU总时间 %si = softirq / CPU总时间 %st = steal / CPU总时间

嗯，看起来还是挺简单的。

总结

本文主要分析了 top 命令中的 CPU 使用率的意义和实现原理，希望通过本文，能够帮助大家对 top 命令有更深的认识。

原文链接;https://mp.weixin.qq.com/s/qkjGYoheHvs-lX9avrYg_g

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