cpu使用率_线程CPU使用率到底该如何计算?
如何计算线程CPU使用率?那么现在就来看看该如何计算各个线程的CPU使用率。从前面的笔记,我们其实也可以猜测该如何计算,无非就是获取每个线程的执行时间罢了。比如,1秒时间内,空闲任务执行700毫秒,任务1执行200毫秒,任务2执行100毫秒,那么各个任务的CPU使用率分别是 70%、20%、10%。以前计算系统的CPU使用率的时候,采用了软件方法计算空闲任务的运行时间,这必然是不够准确的,所以最好的方式是采用硬件计时。因为鱼鹰采用STM32F103进行测试,所以使用DWT外设进行精确计时,不过麻烦的是,在KEIL 软件仿真情况下,DWT外设是无法工作的,所以如果要测试的话,必须使用硬件仿真的方式,不过如果真要KEIL软件仿真的话,也不是没有办法,就是使用硬件定时器,这个按下不表。毕竟,DWT外设的功能在这里说白了也就是个定时器而已。既然要获取线程的执行时间,关键一点就是,我们要知道操作系统什么时候会切换到某一个线程运行,什么时候又会从这个线程切出,到另一个线程执行呢?这个关键还是在系统内置的钩子函数。上次的笔记鱼鹰介绍过空闲钩子函数,今天介绍另一个钩子,任务切换钩子函数。这个钩子函数的特点就是,每当系统需要切换到下一个任务时,就会先执行这个函数。这个函数一般有两个参数,当前任务和即将切换的任务。只要设置任务切换的钩子函数,并且有时间戳,那么计算一个任务的执行时间也就不那么困难了。比如,操作系统在时刻12345 ms 切换到空闲任务执行,突然一个任务就绪,开始准备执行,所以在时刻12445切换到那个就绪任务执行,那么空闲任务的执行时间我们也就可以准确计算出来了。12445 – 12345 = 100 ms也就是说,这一次空闲任务执行了 100 毫秒。如果我们要计算单位时间(比如1秒内)空闲任务的执行时间,我们只要在每次运行到空闲任务时累计时间即可。比如1秒内,空闲任务执行了 5 次,分别是 10、200、100、200、50,累计时间为10 + 200 + 100 + 200 + 50 = 560毫秒由此,可计算空闲任务的CPU使用率为 56%,从而可计算出系统的CPU使用率是44%。是的,通过线程的CPU使用率方法,我们其实也可以计算整个系统的CPU使用率。而且这种计算方式比前面所说的计算方法更准确,更科学。前面采用时间戳进行计算,但是时间戳是会溢出的,那个时候,你的时间计算还是准确的吗?FreeRTOS线程计算限制?现在鱼鹰就来说说第三个问题,FreeRTOS线程计算的弊端?如何打破 FreeRTOS 线程计算方式的时间限制?从网上查找FreeRTOS任务CPU计算相关的资料,可以得到以下信息:1、需要开一个定时器,这个定时器中断频率是操作系统时钟的十几倍(为了保证计算精度)。2、一个64 位的变量在定时器自加更新,一旦变量溢出,时间计算就会出现问题。(相关细节可查看安富莱教程)第一个问题会导致系统性能下降(中断频率太高,一般是微秒级别的),而第二个问题导致在一段时间内(小时级别)线程CPU使用率计算准确,超出时间后,计算会有问题,所以教程中不建议在正式版本加入此功能。第一个问题其实很好解决,就是使用硬件定时器,不再由CPU去更新时间,这样不会占用CPU时间,第二个问题其实也非常好解决,就是通过《延时功能进化论(合集)》的方式解决溢出问题,这里不再展开说其中的奥妙。任务切换钩子函数的实现总之,鱼鹰接下来的实现方式解决了以上两个痛点,即使无限执行下去,也不会影响到计算精度问题,唯一对系统产生的一点影响,只有在任务切换时消耗的一点计算时间(微秒级别)。那么先上任务切换钩子函数关键实现代码(RT-Thread):
void thread_stats_scheduler_hook(struct rt_thread *from, struct rt_thread *to){ static uint32_t schedule_last_time; uint32_t time; time = get_curr_time(); from->user_data += (time - schedule_last_time); schedule_last_time = time;}
如何将这个函数注册到操作系统中被系统调用呢?通过这个函数即可:那么现在来分析这个钩子函数实现:一个静态变量,用于记录切换时的时间戳。每次任务开始切换时,更新这个时间戳,同时累积时间,这个时间保存在当前任务的user_data里面。难理解?看下图就清楚了。假设系统调度是从任务1切换到任务2,即from为任务1,to为任务2,此时获取的时间戳为 T1。上一次的时间戳我们已经通过静态变量保留了,这里为T0,那么T1-T0就是from任务即任务1在本次运行的时间,只要下次运行任务1时继续不断的累积这个时间,那么就可以得到任务1的总运行时间。任务2同理。当然我们不可能一直累积下去,不然肯定会溢出,所以隔一段时间就需要清零,这个时间其实就是线程CPU计算的周期。 这里还有一个函数没有说,就是 get_curr_time(),在这里使用DWT,为了可以重新实现该函数,鱼鹰使用了弱属性 weak(关于这个看参考:《困惑多年,为什么 printf 可以重定向? 》)。
__weakuint32_t get_curr_time() { return DWT->CYCCNT; // don't use the function rt_tick_get()}
这里可以看到有个注释,不要使用 rt_tick_get 函数,为啥?精度太低,有些任务本来执行了的,但是因为执行时间小于操作系统的时钟(比如1毫秒),那么就无法累积时间了,那么即使这个任务运行再多,时间累积也为 0,这肯定是我们不希望看到的。然后再说一个点,为了简化代码(钩子函数代码只有短短几行),鱼鹰这样的实现是有两个问题的。1、首次运行计算有误,因为静态变量应该在运行任务之前就初始化的(不应该初始化为 0),而钩子函数是在任务运行之后才调用的,所以从开机以来的时间被累加到第一个运行任务中了,这肯定是有问题的,不过后面随着系统的运行,静态变量被持续更新,就不会再出现这个问题了。2、为了减少修改,鱼鹰把线程的use_data当成一个变量使用了,实际上这个变量的功能应该是存储线程私有变量地址的,但是因为鱼鹰懒得修改太多代码,所以直接拿来用了。正因为如此,所以鱼鹰添加线程CPU计算时,只要修改很少的代码就可以了。线程CPU的计算目前我们已经能够通过钩子函数获取各个线程的CPU执行时间,现在就看该如何计算了。为了计算各个线程的CPU使用率,我们需要确定计算周期,这里我们可以设置1秒计算一次。其次,我们需要确定在哪个任务执行计算。原理上来说,可以是系统中的任何一个任务,但是为了减少对系统的干扰,可以将计算工作放到优先级比较低的任务中进行,比如空闲任务。现在,看看函数是如何实现的:
// can call the function 1 s (max 60s when stm32f1xx because of dwt)void thread_cal_usage(thread_run_info_def *run_info){ static uint32_t total_time_last; uint32_t time, total_time; struct rt_list_node *node; struct rt_list_node *list; struct rt_thread *thread; uint32_t i; rt_enter_critical(); // 关闭系统调度,防止在计算过程中更新线程时间,影响计算 time = get_curr_time(); // 获取当前时间戳 total_time = time - total_time_last; // 计算运行总时间 total_time_last = time; // 更新时间 list = &(rt_object_get_information(RT_Object_Class_Thread)->object_list); // 获取线程列表指针 // 搜索类别 for(i = 0, node = list->next; (node != list) && i < THREAD_NBR_MAX; node = node->next, i++){ thread = rt_list_entry(node, struct rt_thread, list); // 获取线程地址 run_info[i].name = thread->name; // 保存线程名 run_info[i].time = thread->user_data; // 保存线程执行时间 thread->user_data = 0; // 清除线程执行时间 } rt_exit_critical();// 开启系统调度 // 计算各个线程的 CPU 使用率 total_time /= 100; if(total_time > 0){ for(uint32_t j = i, i = 0; i < j; i++) { run_info[i].usage = run_info[i].time / total_time; } }}
注释已经很详尽了,所以不多做讨论。主要说以下几点:1、为什么需要关闭调度器,可以使用关中断吗?关调度器是为了防止在获取各个线程执行时间时,因为系统调度而导致执行时间被更新,从而导致计算有误,所以需要关闭调度器。那么为什么不使用关中断的方式呢?没有必要。一旦关中断,那么中断就无法响应了,所以在可以关调度器的情况下满足要求,就不应该关中断。2、为什么分两步计算,为什么不将最终的计算放在第一个循环中执行呢?节省时间,为了尽量减少关调度器的时间,能省一点是一点。毕竟只要能获取到关键信息,啥时候计算都一样。3、因为线程CPU计算周期是自动计算的,所以,计算周期其实就是该函数的调用周期,即2秒调用一次,那么线程CPU计算周期就是2秒,但是需要注意的是,调用周期必须小于定时器的溢出时间,即当你使用 DWT 时,调用周期应该在 60 秒以下(72 M 系统时钟),否则计算是有问题的。现在我们已经算是完成了线程CPU计算问题,但为了使用方便,我们需要把它打印出来,或者把这些信息字符串化:
void thread_stats_print(void){ thread_run_info_def run_info[THREAD_NBR_MAX] = {0}; thread_run_info_def *p_info; thread_cal_usage(run_info); rt_kprintf("thread\t\t\ttime\t usage\n"); for(uint32_t i = 0; i < THREAD_NBR_MAX; i++) { p_info = &run_info[i]; if(p_info->name != NULL) { if(p_info->usage > 0) // CPU 使用率大于 1 % { rt_kprintf("%-16s\t%u\t%2u%%\n", p_info->name, (uint32_t)p_info->time, (uint32_t)p_info->usage); } else { rt_kprintf("%-16s\t%u\t<1%%\n", p_info->name, (uint32_t)p_info->time, (uint32_t)p_info->usage); } } else { break; } }}
这里将线程名、线程执行时间、线程使用率都打印出来了,但是需要注意的是,这里的time 时间单位是定时器的单位,而不是微秒、毫秒,比如如果使用 DWT,那么单位就是 1/72 微秒,即如果 time 值为 1000,那么换算到微秒,应该是 1000/72 秒,当然了,你也可以在打印的同时就把时间换算一下,这个自由发挥就好。最后,鱼鹰将代码提交到了 RT-Thread 官方工程里面,这是鱼鹰第一次使用 Git 提交开源项目(操作不熟练,还是上网搜的教程),也不知道最后合并了没有。如果对完整代码感兴趣的,也可以在后台回复关键字领取。
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-THE END-
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