聊聊 top 命令中的 CPU 使用率

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。

时钟中断

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：

struct cpu_usage_stat {
    cputime64_t user;
    cputime64_t nice;
    cputime64_t system;
    cputime64_t softirq;
    cputime64_t irq;
    cputime64_t idle;
    cputime64_t iowait;
    cputime64_t steal;
    cputime64_t guest;
};
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：

void account_process_tick(struct task_struct *p, int user_tick)
{
    cputime_t one_jiffy_scaled = cputime_to_scaled(cputime_one_jiffy);
    struct rq *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);
    } else if ((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。

top: 30px;margin-bottom: 15px;font-weight: bold;font-size: 1.3em;color: rgb(0, 0, 0);border-bottom: 2px solid rgb(239, 112, 96);font-family: Optima-Regular, Optima, PingFangSC-light, PingFangTC-light, "PingFang SC", Cambria, Cochin, Georgia, Times, "Times New Roman", serif;text-align: left;white-space: normal;background-color: rgb(255, 255, 255);">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：

void account_user_time(struct task_struct *p, cputime_t cputime,
                       cputime_t cputime_scaled)
{
    // 获取 CPU 的统计结构（每个CPU一个 cpu_usage_stat 结构）
    struct cpu_usage_stat *cpustat =