Linux系统中的CPU利用率

CPU利用率是系统性能监控的重要指标。CPU利用率是开发人员系统性能优化的重要参考指标。当CPU总体利用率过高时，开发过程中需要根据具体情况进行考虑，在从程序层面优化还是从部署层面优化。程序层面通过降低不必要的计算以节省CPU,系统层面通过采用分布式架构，使更多的CPU参与到计算中。当CPU总体利用率偏低时，在数据中心的角度，可以理解为，投入产生比不合适。即系统的设备没有完全利用起来，可以考虑减少服务设备的方式省系统成本。虚拟化和容器技术是解决此类情况的较好的方案，使多个应用共用系统，降低CPU的利用率。当然，上述技术在实施时，需要考虑的问题不仅仅单纯这一个角度。比如，还进一步需要考虑峰值的情况。特别是系统的吞吐比较大时，波峰需要单独处理。有时还需要考虑多应用间的相互影响，多应用的波峰会不会在同时时刻存在。多应用能否可根据应用情况在多个节点间均衡等等一系列的问题。总之其出发点只有一个，在确保应用能够正常运营的情况下，尽可能的减少使用资源，提高系统的使用效率。
从人的视角，我们更关注利用率。从计算机的视角，它只能够统计CPU的使用时间。这两者的转化通过CPU利用率的监控程序来实现。比如iostat、top等。从计算的角度，CPU利用率体现的时CPU使用时间和CPU运行时间的比值。为了监控和分析方便，我们可能需要关注CPU的即时利用率和CPU在某时间内在的平均利用率。前者反应的了CPU的负载波动情况，后者反映CPU资源是否得到了具体的利用。而在实现的数据统计过程中，CPU在某一时刻，其利用情况无非在使用或者不在使用，即100%或者0%。对我们无太多的参考价值。因而，CPU的即时利用率反应非直正的即时，而是在某一统计时间内的均值。通过均值连成线，系统就能呈现出其CPU的动态即时负载情况。

设前一次CPU运行的总时间长期为jiffies_pr,当前CPU运行总时间为jiffies_cur,前一次监控用户进行程占用的时间为jiffies_user_pr,当前用户进程占用时间为jiffies_user_cur,则

percentage=jiffies_user_cur−jiffies_user_prjiffies_cur−jiffies_pr

percentage=\frac{jiffies\_user\_cur-jiffies\_user\_pr}{jiffies\_cur-jiffies\_pr}

为更加详细的分析CPU的负载情况，Linux操作系统对CPU的使用为成8进行处理。如下表所示：

类别	说明
CPUTIME_USER	普通用户进程所占用时间
CPUTIME_NICE	高优先级用户进程所占用时间
CPUTIME_SYSTEM	内核系统所占用时间
CPUTIME_SOFTIRQ	软中断所占用时间
CPUTIME_IDLE	CPU空闲时间
CPUTIME_IOWAIT	IO等待时间
CPUTIME_STEAL	Hypervisor运行占用时间
CPUTIME_GUEST	虚拟机运行占用时间
CPUTIME_GUEST_NICE	高优化级虚拟级进程所占用时间

而CPU总体运行时间为：

totaljiffies=cpu_user+cpu_nice+cpu_sys+cpu_idle+cpu_iowait+cpu_hardirq+cpu_steal+cpusoftirq

totaljiffies=cpu\_user+cpu\_nice+cpu\_sys+cpu\_idle+cpu\_iowait+cpu\_hardirq+cpu\_steal+cpu_softirq

linux内核通过/proc/stat输出CPU的统计信息。统计信息体现了从系统启动到当前时间的系统各类负载的计数情况。iostat之类的统计程序首先从这里获取统计信息，进行百分比的换算，然后展现出来。

[root@localhost sysstat]# cat /proc/stat
cpu  19528 172 55646 34700894 153440 0 10024 0 0 0
cpu0 19528 172 55646 34700894 153440 0 10024 0 0 0
intr 13531733 129 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 155 0 0 340101 4336110 0 0 195598 0 651148 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 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 15768816
btime 1508742029
processes 53214
procs_running 2
procs_blocked 0
softirq 10080346 1 3478603 70015 4532140 745643 0 50129 0 0 1203815

stat信息体现的是CPU自启动到当前时刻的各类使用系统信息的计数。
- cpu及cpu｛0,cpu_nr｝：记录CPU在各类作业里面使用的时间。从左到右依次是user、nice、system、idle、iowait、irq、softirq、steal、guest、guest_nice
- ctx：上下文切换时间
- btime:启动时间，以秒为单位
- processes：进程数,当用fork或者clone函数创建进程时，此计数将累加
- procs_running：正在执行的进程数
- procs_blocked：由于等待IO而被阻塞的进程数
- softirq:软件中断数量。第一个数值表示总的软中断数量。后续的数值表示每个软中断的数量

ctx、btime、proceses及以后的信息比较容易理解。系统在执行到相应的操作，对系统计数并保存到内存即可以。
cpu状态信息的统计稍微复杂。
系统启动时，每个CPU均创建一个tick_device（时钟设备）用于周期性的执行系统的监控。此设备以HZ（默认配置为100）为单位执行周期性的检查函数。这个检查最终调用account_process_tick对CPU的运行时间进行分类计数。其计数粒度为时间钟设备执行的周期（period=1s/HZ=10msperiod = 1s/HZ = 10ms）。系统首先计算在监控周期内虚拟机所占用的时间，如果虚拟机占用的时间超过一个周期的时间话，说明CPU被虚拟机占用，这个周期的时间长度会累加到steal中。否则的话，进一步分配period - steal的时间长度。如果当前运行的是用户空间类型则累加到user上。如果是系统内核进程，进一步判断是否是中断例程，如果是的话累加到相应的中断计数上，否则，认为是累加到system值。
系统即不是用户线程在执行也不是内核线程在执行，那么，CPU当前是空闲的。需要进一步分析空闲的原因是没事干，还是有事干不了（等待IO）。如果这个时候有IO在等待执行，就认为CPU是有事干不了，等待IO的进行，将此周期增加到iowait上。否则，CPU确实是闲着。

由上述的过程，设想，在统计周期内，系统从用户空间切的到内核空间，系统这一个周期实际上是计算在system这个值上了。我们可以得出一个结论：CPU的时间统计是有一定的误差的。每次统计的误差均会小于统计周期。这个误差不影响我们在文档开始说的，CPU统计的指导意义，即不影响我们判断CPU当前是空闲还是繁忙，哪类操作占用的CPU比较多。
CPU统计的另外一个误差还体现的IOwait上。统计例程将当前有IO等待且CPU没有执行的情况定义为IOwait的值，并非直接判断出这个CPU在等待IO。这两者的区别比较小。CPU是否在等待IO是通过nr_iowait来判断的。这个值是通过在系统调度过程中被设置，且统计块IO的情况。IOwait高代表着系统持续有IO执行，且CPU空闲，并不代表磁盘性能弱。因此，当IOwait过高时，还需要根据其他参考比如硬盘的带宽、响应时间等等进行判断是否真是块IO是一个瓶颈。相反的，当前CPU利用率非常高，而某个进程确实由于在等待IO而被失眠，iowait体现不出来。

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