linux概念之cpu分析

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Linux CPU佔用率原理與精確度分析
1  CPU佔用率計算原理
在Linux/Unix 下，CPU 利用率分為使用者態、系統態和空閑態，分別表示CPU 處於使用者態執行的時間，系統核心執行的時間，和空閑系統進程執行的時間。
下面是top顯示的值
1.1%us,  1.6%sy,  0.0%ni, 97.2%id,  0.0%wa,  0.0%hi,  0.1%si,  0.0%st
      us: User time         使用者時間
      sy: System time         系統時間
      ni: Nice time         Nice時間
      id: Idle time         空閑時間
      wa: Waiting time         等待時間
      hi: Hard Irq time     硬中斷處理時間
      si: SoftIrq time         非強制中斷處理時間
      st: Steal time         丟失時間
表示CPU 執行使用者進程的時間，包括nices時間。通常期望使用者空間CPU 越高越好。
表示CPU 在核心已耗用時間，包括IRQ 和softirq 時間。系統CPU 佔用率高，表明系統某部分存在瓶頸。通常值越低越好。
系統調整進程優先順序所花費的時間。
系統處於空閑期，等待進程運行。
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。
系統處理硬中斷所花費的時間。
系統處理非強制中斷所花費的時間。
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。

1.2  CPU 佔用率計算
Linux CPU 佔用率計算，都是根據/proc/stat檔案內容計算而來，下面是stat檔案內容範例，核心版本不同，會稍有不同，但內容基本一致。
CPU 資訊，cpu 為總的資訊，cpu0 … cpun 為各個具體CPU 資訊      
cpu 661733 468 503925 233055573 548835 14244 15849 0
       上面共有8 個值（單位：ticks），分別為：
       User time ， 661733                Nice time ， 468
       System time ， 503925              Idle time ，233055573
       Waiting time，548835               Hard   Irq time ， 14244
       SoftIRQ time，15849                Steal time，0
 
     CPU佔用率計算公式如下：     
     CPU 時間=user+system+nice+idle+iowait+irq+softirq+Stl
     %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%

2  CPU佔用率核心實現
下面以RHEL6 核心源碼版本2.6.32-220.el6 x86_64 為例，來介紹核心源碼實現。/proc/stat 檔案的建立由函數proc_stat_init（）實現，在檔案 fs/proc/stat.c 中，在核心初始化時調用。/proc/stat 檔案相關函數時間均在stat.c 檔案中。
3  Linux CPU佔用率精確性分析
在使用類似top 命令，觀察系統及各進程CPU 佔用率時，可以指定重新整理時間間隔，以及時重新整理和即時觀察CPU 佔用率。top 命令預設情況下，是每 3 秒重新整理一次。也可以通過 top  -d <重新整理時間間隔> 來指定重新整理頻率，如top -d 0.1 或top -d 0.01 等。top 執行時，也可以按“s ”鍵，修改時間間隔。
我們可以將CPU 佔用率重新整理間隔設定很低，如0.01 秒。但過低的重新整理頻率是否能夠更準確觀察到CPU 佔用率？Linux  系統提供的CPU 佔用率資訊是否足夠精確？
根據前面分析，我們已知 Linux 是根據/proc/stat 檔案的內容來計算CPU 佔用率，也就是精確度和/proc/stat 提供的資料精確度有關。那麼
（1）/proc/stat 檔案中的內容單位是什嗎？
（2）多久會重新整理/proc/stat 中的資料？
  cpu    926 0 4160 5894903 2028 0 7 0 0
  cpu0     80 0 473 367723 658 0 3 0 0
3.1  /proc/stat中的資料單位精度
/proc/stat 中CPU 資料資訊，單位是ticks。核心中有個全域變數jiffies ，來記錄系統啟動以來，經曆的ticks 數量。

[[email protected] boot]# cat /proc/sched_debug|grep ji
  .jiffies                                 : 9645728927
[[email protected] boot]# cat /proc/stat
cpu  216511 1316 58661 534345575 29219 2170 3034 0 0
ticks（滴答）就是系統時鐘中斷的時間間隔，該值與核心中HZ值有關，即ticks = 1/HZ。HZ值的大小，在核心編譯時間可配置的。某台機器上是RHEL6.1 核心，配置的HZ值為1000。
[[email protected] boot]# uname -a
Linux ssd 2.6.32-131.0.15.el6.x86_64 #1 SMP Tue May 10 15:42:40 EDT 2011 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux
[[email protected] boot]# cat /boot/config-2.6.32-431.el6.x86_64|grep CONFIG_HZ
# CONFIG_HZ_100 is not set
# CONFIG_HZ_250 is not set
# CONFIG_HZ_300 is not set
CONFIG_HZ_1000=y
CONFIG_HZ=1000
HZ 的值，就是每秒的時鐘中斷數量。可以觀察/proc/interrupts 中時鐘中斷值變化，來計算HZ的值。當HZ的值為1000時，ticks 的單位即為1/1000秒，即1ms 。
[[email protected] boot]# cat /proc/interrupts |grep LOC
LOC:   30099358   Local timer interrupts
3.2
/proc/stat檔案中的值，都是在程式讀取時更新，核心並不會主動更新/proc/stat 中的資料。
/proc/stat 中的CPU 資訊是通過kernel_stat 各個成員變數的值計算而來。
3.3  CPU利用率精確性分析
通過前面分析，我們可以得出以下結論：
  （1）Linux CPU 佔用率是根據/proc/stat 檔案中的資料計算而來；
  （2）/proc/stat 中的資料精度為ticks ，即1/HZ秒；
  （3）核心每個ticks 會更新一次CPU 使用資訊；
  （4）CPU 佔用率的精度為1/HZ秒。
4  Linux CPU佔用率是否準確？
有時偶爾會遇到類似問題：在穩定計算壓力下，進程CPU 佔用率不穩定；或者特性進程CPU 佔用率明顯不準。即在系統切換次數很高時，Linux 的CPU 利用率電腦制可能不準確。那麼Linux 的CPU 利用率計算到底是否準確？若可能不準確，則什麼情況下出現這種情況？
4.1  Linux CPU 佔用率不準確情形
在前面分析中，Linux 核心是在每次時鐘中斷時更新CPU 使用方式，即 1/HZ秒更新一次。時鐘中斷時，只會看到當前正在啟動並執行進程資訊。以為例，紅色箭頭表示時鐘中斷（Timer Interrupt ）。
第一次中斷時，看到進程A 在運行。但進程 A 已耗用時間短，進程 B 運行。第二次中斷時，進程 C 運行；在第三次中斷到來時，再次調度進程 A 執行。第三次此中斷時，進程C 運行。
按照Linux 核心CPU 佔用率統計方法，在第1 次和第2 次中斷期間，核心並沒有看到進程B 在運行；於是就漏掉了進程B 使用CPU 的資訊。同樣道理，在第2 次和第3次中斷期間，漏掉了進程B 使用CPU 的情況。這樣，就導致了Linux 核心CPU 佔用率統計不準確。
發生CPU佔用率不準確的原因是：在一個時鐘中斷周期內，發生了多次進程調度。時鐘中斷的精度是1/HZ秒。
4.2  top 命令CPU使用率準確嗎？
只有在一個時鐘中斷周期內發生多次進程調度，才會出現CPU 佔用率不準的情況。那麼top 命令中CPU 使用率是否準確與進程調度頻率有關。若HZ的值為250 ，則 ticks 值為4ms ；若 HZ值為1000，則 ticks 值為1ms 。在 HZ為250 時，只要進程的調度間隔大於4ms ，CPU 佔用率就準確。HZ為1000時，調度間隔大於1ms ，CPU 佔用率計算就準確。進程調度次數少，CPU佔用率就準確；調度時間間隔小於時鐘中斷，就可能不準確。那麼進程調度的時機是怎樣的？如何觀察進程調度次數？
4.2.1  進程調度時機
1.進程狀態轉換的時刻：進程終止、進程睡眠
進程要調用sleep（）或 exit （）等函數進行狀態轉換，這些函數會主動調用發送器進行進程調度；
2.當前進程的時間片用完時（current->counter=0 ）
由於進程的時間片是由時鐘中斷來更新的
3.裝置驅動程式
當裝置驅動程式執行長而重複的任務時，直接調用發送器。在每次反覆迴圈中，驅動程式都檢查need_resched的值，如果必要，則調用發送器schedule() 主動放棄CPU 。
4.進程從中斷、異常及系統調用返回到使用者態時
不管是從中斷、異常還是系統調用返回，最終都調用ret_from_sys_call （），由這個函數進行調度標誌的檢測，如果必要，則調用發送器。那麼，為什麼從系統調用返回時要調用發送器呢？這當然是從效率考慮。從系統調用返回意味著要離開核心態而返回到使用者態，而狀態的轉換要花費一定的時間，因此，在返回到使用者態前，系統把在核心態該處理的事全部做完。
4.2.2  進程調度次數觀察
可以通過vmstat 命令，來觀察系統中進程切換次數，cs 域的值就是切換次數。HZ的值，可以通過核心設定檔來確定，若/proc/config.gz 存在，匯出這個檔案查看即可。
也可以通過查看/proc/sched_debug 檔案內容，來觀察切換次數（nr_switches）。
[[email protected] proc]# watch -d -n 1 ‘cat /proc/sched_debug |grep nr_switches‘
 
我們系統中的進程調度真的那麼頻繁嗎？大多數情況下，Linux 中的CPU 佔用率電腦制是準確的。

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