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Linux：CPU使用率是如何计算的？怎么查看CPU使用率？
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CPU 使用率是最常用来描述系统CPU 性能的指标。 CPU 使用率是单位时间内 CPU 使用情况的统计，以百分比的方式展示。那么 **CPU 使用率到底是怎么算出来的吗？再有 %user、%nice、 %system、%iowait 、%steal 等等，它们之间有什么不同吗？ CPU 使用率Linux 作为一个多任务操作系统，将每个 CPU 的时间划分为很短的时间片，再通过调度器轮流分配给各个任务使用，因此造成多任务同时运行的错觉。 为了维护 CPU 时间，Linux 通过事先定义的节拍率（内核中表示为 HZ），触发时间中断，并使用全局变量 Jiffies 记录了开机以来的节拍数。每发生一次时间中断，Jiffies 的值就加 1。 节拍率 HZ 是内核的可配选项，可以设置为 100、250、1000 等。不同的系统可能设置不同数值，你可以通过查询 /boot/config 内核选项来查看它的配置值。示例如下： $ grep 'CONFIG_HZ=' /boot/config-$(uname -r)CONFIG_HZ=250正因为节拍率 HZ 是内核选项，所以用户空间程序并不能直接访问。为了方便用户空间程序，内核还提供了一个用户空间节拍率 USER_HZ，它总是固定为 100，也就是 1/100 秒。这样，用户空间程序并不需要关心内核中 HZ 被设置成了多少，因为它看到的总是固定值 USER_HZ。 Linux 通过 /proc 虚拟文件系统，向用户空间提供了系统内部状态的信息，而 /proc/stat 提供的就是系统的 CPU 和任务统计信息。比方说，如果只关注 CPU 的话，可以执行下面的命令： # 只保留各个CPU的数据$ cat /proc/stat | grep ^cpucpu 280580 7407 286084 172900810 83602 0 583 0 0 0cpu0 144745 4181 176701 86423902 52076 0 301 0 0 0cpu1 135834 3226 109383 86476907 31525 0 282 0 0 0这里的输出结果是一个表格。其中，第一列表示的是 CPU 编号，如 cpu0、cpu1 ，而第一行没有编号的 cpu ，表示的是所有 CPU 的累加。其他列则表示不同场景下 CPU 的累加节拍数，它的单位是 USER_HZ，也就是 10 ms（1/100 秒），所以这其实就是不同场景下的 CPU 时间。 具体含义可以man proc了解具体指标含义，这里着重介绍下面这些指标的含义： user（通常缩写为 us），代表用户态 CPU 时间。注意，它不包括下面的 nice 时间，但包括了 guest 时间。nice（通常缩写为 ni），代表低优先级用户态 CPU 时间，也就是进程的 nice 值被调整为 1-19 之间时的 CPU 时间。这里注意，nice 可取值范围是 -20 到 19，数值越大，优先级反而越低。system（通常缩写为 sys），代表内核态 CPU 时间。idle（通常缩写为 id），代表空闲时间。注意，它不包括等待 I/O 的时间（iowait）。iowait（通常缩写为 wa），代表等待 I/O 的 CPU 时间。irq（通常缩写为 hi），代表处理硬中断的 CPU 时间。softirq（通常缩写为 si），代表处理软中断的 CPU 时间。steal（通常缩写为 st），代表当系统运行在虚拟机中的时候，被其他虚拟机占用的 CPU 时间。guest（通常缩写为 guest），代表通过虚拟化运行其他操作系统的时间，也就是运行虚拟机的 CPU 时间。guest_nice（通常缩写为 gnice），代表以低优先级运行虚拟机的时间。通常所说的CPU 使用率，就是除了空闲时间外的其他时间占总 CPU 时间的百分比，用公式来表示就是： 根据这个公式，就可以从 /proc/stat 中的数据，很容易地计算出 CPU 使用率。当然，也可以用每一个场景的 CPU 时间，除以总的 CPU 时间，计算出每个场景的 CPU 使用率。 直接用 /proc/stat 的数据，算的是开机以来的节拍数累加值，所以直接算出来的，是开机以来的平均 CPU 使用率，一般没啥参考价值。 为了计算 CPU 使用率，性能工具一般都会取间隔一段时间（比如 3 秒）的两次值，作差后，再计算出这段时间内的平均 CPU 使用率，即: 现在，知道了系统 CPU 使用率的计算方法，那进程的呢？跟系统的指标类似，Linux 也给每个进程提供了运行情况的统计信息，也就是 /proc/[pid]/stat。不过，这个文件包含的数据就比较丰富了，总共有 52 列的数据。需要的时候，查 man proc 就行。 回过头来看，是不是说要查看 CPU 使用率，就必须先读取 /proc/stat 和 /proc/[pid]/stat 这两个文件，然后再按照上面的公式计算出来呢？ 当然不是，各种各样的性能分析工具已经帮我们计算好了。不过要注意的是，性能分析工具给出的都是间隔一段时间的平均 CPU 使用率，所以要注意间隔时间的设置，特别是用多个工具对比分析时，你一定要保证它们用的是相同的间隔时间。 比如，对比一下 top 和 ps 这两个工具报告的 CPU 使用率，默认的结果很可能不一样，因为 top 默认使用 3 秒时间间隔，而 ps 使用的却是进程的整个生命周期。 怎么查看 CPU 使用率top 和 ps 是最常用的性能分析工具： top 显示了系统总体的 CPU 和内存使用情况，以及各个进程的资源使用情况。ps 则只显示了每个进程的资源使用情况。比如，top 的输出格式为： # 默认每3秒刷新一次$ toptop - 11:58:59 up 9 days, 22:47, 1 user, load average: 0.03, 0.02, 0.00Tasks: 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 stKiB Mem : 8169348 total, 5606884 free, 334640 used, 2227824 buff/cacheKiB Swap: 0 total, 0 free, 0 used. 7497908 avail MemPID 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... 不过需要注意，top 默认显示的是所有 CPU 的平均值，这个时候你只需要按下数字 1 ，就可以切换到每个 CPU 的使用率了。 空白行之后是进程的实时信息，每个进程都有一个 %CPU 列，表示进程的 CPU 使用率。它是用户态和内核态 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 、以及在就绪队列等待运行的 CPU。在虚拟化环境中，它还包括了运行虚拟机占用的 CPU。 top 并没有细分进程的用户态 CPU 和内核态 CPU。那要怎么查看每个进程的详细情况呢？pidstat 是一个专门分析每个进程 CPU 使用情况的工具。 比如，下面的 pidstat 命令，就间隔 1 秒展示了进程的 5 组 CPU 使用率，包括： 用户态 CPU 使用率 （%usr）；内核态 CPU 使用率（%system）；运行虚拟机 CPU 使用率（%guest）；等待 CPU 使用率（%wait）；以及总的 CPU 使用率（%CPU）。最后的 Average 部分，还计算了 5 组数据的平均值。 # 每隔1秒输出一组数据，共输出5组$ pidstat 1 515:56:02 UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command15:56:03 0 15006 0.00 0.99 0.00 0.00 0.99 1 dockerd... Average: UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU CommandAverage: 0 15006 0.00 0.99 0.00 0.00 0.99 - dockerd CPU 使用率过高怎么办？通过 top、ps、pidstat 等工具，你能够轻松找到 CPU 使用率较高（比如 100% ）的进程。接下来，如何找到占用 CPU 的到底是代码里的哪个函数呢？只有找到它，才能更高效、更针对性地进行优化。这里推荐是 perf。perf 是 Linux 2.6.31 以后内置的性能分析工具。它以性能事件采样为基础，不仅可以分析系统的各种事件和内核性能，还可以用来分析指定应用程序的性能问题。 使用 perf 分析 CPU 性能问题，这里给出两种最常见用法。 第一种常见用法是 perf top类似于 top，它能够实时显示占用 CPU 时钟最多的函数或者指令，因此可以用来查找热点函数，使用界面如下所示： $ perf topSamples: 833 of event 'cpu-clock', Event count (approx.): 97742399Overhead 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...输出结果中，第一行包含三个数据，分别是采样数（Samples）、事件类型（event）和事件总数量（Event count）。比如这个例子中，perf 总共采集了 833 个 CPU 时钟事件，而总事件数则为 97742399。 另外，采样数需要我们特别注意。如果采样数过少（比如只有十几个），那下面的排序和百分比就没什么实际参考价值了。 再往下看是一个表格式样的数据，每一行包含四列，分别是： 第一列 Overhead ，是该符号的性能事件在所有采样中的比例，用百分比来表示。第二列 Shared ，是该函数或指令所在的动态共享对象（Dynamic Shared Object），如内核、进程名、动态链接库名、内核模块名等。第三列 Object ，是动态共享对象的类型。比如[.] 表示用户空间的可执行程序、或者动态链接库，而[k] 则表示内核空间。最后一列Symbol 是符号名，也就是函数名。当函数名未知时，用十六进制的地址来表示。还是以上面的输出为例，可以看到，占用 CPU 时钟最多的是 perf 工具自身，不过它的比例也只有 7.28%，说明系统并没有 CPU 性能问题。 第二种常见用法是 perf record 和 perf reportperf top 虽然实时展示了系统的性能信息，但它的缺点是并不保存数据，也就无法用于离线或者后续的分析。而 perf record 则提供了保存数据的功能，保存后的数据，需要你用 perf report 解析展示。 $ 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，还经常为 perf top 和 perf record 加上 -g 参数，开启调用关系的采样，方便根据调用链来分析性能问题。 总结CPU 使用率是最直观和最常用的系统性能指标，更是在排查性能问题时，通常会关注的第一个指标。所以要熟悉它的含义，尤其要弄清楚用户（%user）、Nice（%nice）、系统（%system） 、等待 I/O（%iowait） 、中断（%irq）以及软中断（%softirq）这几种不同 CPU 的使用率。比如说： 用户 CPU 和 Nice CPU 高，说明用户态进程占用了较多的 CPU，所以应该着重排查进程的性能问题。系统 CPU 高，说明内核态占用了较多的 CPU，所以应该着重排查内核线程或者系统调用的性能问题。I/O 等待 CPU 高，说明等待 I/O 的时间比较长，所以应该着重排查系统存储是不是出现了 I/O 问题。软中断和硬中断高，说明软中断或硬中断的处理程序占用了较多的 CPU，所以应该着重排查内核中的中断服务程序。碰到 CPU 使用率升高的问题，可以借助 top、pidstat 等工具，确认引发 CPU 性能问题的来源；再使用 perf 等工具，排查出引起性能问题的具体函数。
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这个公式，就是各种性能工具所看到的 CPU 使用率的实际计算方法。【本文地址】