Linux CPU使用率含義及原理

相關概念

在Linux/Unix下，CPU利用率分為用戶態、系統態和空閑態，分別表示CPU處於用戶態執的時間，系統內核執行的時間，和空閑系統進程執行的時間。

下面是幾個與CPU占用率相關的概念。

CPU利用率：CPU的使用情況。
用戶時間(User time) ：表示CPU執行用戶進程的時間，包括nices時間。通常期望用戶空間CPU越高越好。
系統時間(System time) ：表示CPU在內核運行時間，包括IRQ和softirq時間。系統CPU占用率高，表明系統某部分存在瓶頸。通常值越低越好。
等待時間(Waiting time) ：CPU在等待I/O操作完成所花費的時間。系統不應該花費大量時間來等待I/O操作，否則就說明I/O存在瓶頸。
空閑時間(Idle time) ：系統處於空閑期，等待進程運行。
Nice時間(Nice time) ：系統調整進程優先級所花費的時間。
硬中斷處理時間(Hard Irq time) ：系統處理硬中斷所花費的時間。
軟中斷處理時間(SoftIrq time) ：系統處理軟中斷中斷所花費的時間。
丟失時間(Steal time) ：被強制等待（involuntary wait）虛擬CPU的時間，此時hypervisor在為另一個虛擬處理器服務。

 

top命令看到的CPU占用率信息及各項值含義。

Cpu(s): 0.2%us, 0.2%sy, 0.0%ni, 99.2%id, 0.5%wa, 0.0%hi, 0.0%si, 0.0%st
us: User time,用戶態使用的cpu時間比。CPU一共花了多少比例的時間運行在用戶態空間或者說是用戶進程(running user space processes)。典型的用戶態空間程序有：Shell、數據庫、web服務器。
sy: System time,系統態使用的cpu時間比。System的含義與User相似。System表示：CPU花了多少比例的時間在內核空間運行。分配內存、IO操作、創建子進程……都是內核操作。這也表明，當IO操作頻繁時，System參數會很高。
ni: Nice time,用做nice加權的進程分配的用戶態cpu時間比。用戶空間進程的CPU的調度優先級，范圍為[-20,19]。每個linux進程都有個優先級，優先級高的進程有優先執行的權利，這個叫做pri。進程除了優先級外，還有個優先級的修正值。即比如你原先的優先級是20，然后修正值為-2，那么你最后的進程優先級為18。這個修正值就叫做進程的nice值。
id: Idle time,空閑的cpu時間比。一般而言，idel + user + nice 約等於100%。
wa: Waiting time,cpu等待磁盤寫入完成時間。在計算機中，讀寫磁盤的操作遠比CPU運行的速度要慢，CPU負載處理數據，而數據一般在磁盤上需要讀到內存中才能處理。當CPU發起讀寫操作后，需要等着磁盤驅動器將數據讀入內存，從而導致CPU 在等待的這一段時間內無事可做。CPU處於這種等待狀態的時間由Wait參數來衡量。所以如果一台機器看到wa特別高，那么一般說明是磁盤IO出現問題。
hi: Hard Irq time,硬中斷消耗時間
si: SoftIrq time,軟中斷消耗時間
如果程序都沒什么問題，那么是沒有hi和si的，但是實際上有個硬中斷和軟中斷的概念。比如硬中斷，cpu在執行程序的時候，突然外設硬件（比如硬盤出現問題了）機器需要立刻通知cpu進行現場保存工作。這個時候會cpu會出現上下文切換。就是cpu會有一部分時間會被硬中斷占用了，這個時間就是hi。相類似，si是軟中斷的cpu占用時間，軟中斷是由軟件的指令方式觸發的。
st: Steal time,虛擬機偷取時間。對虛擬機來說的，一台物理是可以虛擬化出幾台虛擬機的。在其中一台虛擬機上用top查看發現st不為0，就說明本來有這么多個cpu時間是安排給這個虛擬機的，但是由於某種虛擬技術，把這個cpu時間分配給了其他的虛擬機了。這就叫做偷取。

CPU占用率計算：

Linux CPU占用率計算，都是根據/proc/stat文件內容計算而來。

# more /proc/stat
cpu 23977676 8265 27737139 5387873754 2095720 404 650273 0 0
cpu0 12075284 4247 13885851 2693786340 1054213 7 312015 0 0
cpu1 11902391 4018 13851287 2694087414 1041507 396 338257 0 0
intr 7878366837 118 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 31 104 0 0 69 0 0 0 0 0 0 0 0 0 24 0 29360958 0 23446119 0 798059818 13974 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
ctxt 51508933575
btime 1501052873
processes 17604072
procs_running 1
procs_blocked 0
softirq 6714836597 0 2060074967 76941 1854616421 18 0 2 584892288 14211110 2200964850

CPU信息，cpu為總的信息，cpu0 ... cpun為各個具體CPU信息
cpu 23977676 8265 27737139 5387873754 2095720 404 650273 0 0
共有9個值（單位：ticks），分別為：
ticks就是系統時鍾中斷的時間間隔，該值與內核中HZ值有關，即ticks = 1/HZ。
HZ的值，就是每秒的時鍾中斷數量。可以觀察/proc/interrupts中時鍾中斷值變化，來計算HZ的值。當HZ的值為1000時，ticks的單位即為1/1000秒，即1ms。
User time：23977676 Nice time：8265 System time：27737139 Idle time：5387873754
Waiting time：2095720 HardIrq time:404 SoftIRQ time:650273 Steal time:0  guest time:0

CPU占用率計算公式
CPU時間=user+system+nice+idle+iowait+irq+softirq+Stl +guest
%us=(User time + Nice time)/CPU時間*100%
%sy=(System time + Hard Irq time +SoftIRQ time)/CPU時間*100%
%id=(Idle time)/CPU時間*100%
%ni=(Nice time)/CPU時間*100% %wa=(Waiting time)/CPU時間*100%
%hi=(Hard Irq time)/CPU時間*100%
%si=(SoftIRQ time)/CPU時間*100%
%st=(Steal time)/CPU時間*100%

CPU利用率總節：
（1）Linux CPU占用率是根據/proc/stat文件中的數據計算而來；
（2）/proc/stat中的數據精度為ticks，即1/HZ秒；
（3）內核每個ticks會更新一次CPU使用信息；
（4）CPU占用率的精度為1/HZ秒。