如何計算 CPU 占用率？

簡單來說，進程的 CPU 占用率指的是 CPU 有多少時間花費在了運行進程上。在 Linux 系統(tǒng)里，進程運行的時間是以jiffies[1]統(tǒng)計的，通過計算jiffies * HZ，就可以得到進程消耗的 CPU 時間，再除以 CPU 的總時間，就可以得到進程的 CPU 占用率：jiffies * HZ / total_time。

ps 和 top 的不同之處

ps和top是最常用的兩種查看 CPU 占用的方式，都可以用來快速找到當(dāng)前 CPU 占用率高的進程。但實際上這兩個工具的統(tǒng)計方式是完全不同的。

我們用下面這個簡單的 Go 程序來測試這兩個工具的差別：

(相關(guān)資料圖)

package mainimport ("bytes""fmt""strconv""sync""time")var testData = []byte(`testdata`)func testBuffer(idx int) {  m := map[string]*bytes.Buffer{}  for i := 0; i < 100; i += 1 {    buf, ok := m[strconv.Itoa(i)]    if !ok {      buf = new(bytes.Buffer)    }    for j := 0; j < 1024; j += 1 {      buf.Write(testData)    }    m[strconv.Itoa(i)] = buf  }  fmt.Println("done, ", idx)  wg.Done()}var wg sync.WaitGroupfunc main() {for i := 0; i < 10; i += 1 {wg.Add(1)j := igo testBuffer(j)}wg.Wait()fmt.Println("sleeping")time.Sleep(time.Hour)}

然后我們運行這個程序，通過top和ps aux分別查看進程的 CPU 占用情況。

top -n 1:

PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU %MEM     TIME+ COMMAND39753 infini    20   0 14.663g 0.014t   1200 S 611.1 22.2   0:23.53 test-cpu

ps aux:

USER       PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMANDinfini   39881  767 39.1 26505284 25791892 pts/16 Sl+ 07:04   0:38 ./test-cpu

可以看到，ps和top統(tǒng)計的 CPU 占用率是近似的（由于時間點并不完全吻合，統(tǒng)計值也會有輕微差別）。兩個工具的差異體現(xiàn)在testBuffer結(jié)束后，top統(tǒng)計的 CPU 占用率已經(jīng)接近于 0，但是ps依然統(tǒng)計到很高的 CPU 占用率：

USER       PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMANDinfini   39881 82.3 42.4 28638148 27953532 pts/16 Sl+ 07:04   0:40 ./test-cpu

為什么 ps 和 top 的統(tǒng)計值會有差異？

這兩個工具的差異來自于各自運行方式的不同：top 只能持續(xù)運行一段時間，而 ps 是立刻返回的。這個差異體現(xiàn)在運行top -n 1和ps aux時，top是延遲后返回的，而ps是立刻返回的。這兩種不同的運行方式就會反映在兩個工具的統(tǒng)計算法上。

文章開頭我們提到，Linux 的 CPU 時間是按照jiffies統(tǒng)計的，考慮到效率問題，Linux 只會統(tǒng)計總值，不會記錄歷史數(shù)據(jù)。對于 ps來說，由于只能統(tǒng)計到瞬時值，這個瞬時值的統(tǒng)計算法就必然拿不到實時的 CPU 占用率，因為實時的占用率需要通過 (current_cpu_time - last_cpu_time) / time_duration來得到，ps只能統(tǒng)計一次，所以time_duration為0，也就無法計算這個占用率。實際上，ps統(tǒng)計的是整個進程運行周期內(nèi)的 CPU 占用率[2]：

(total_cpu_time / total_process_uptime)

對于測試程序這種短時間的占用率上升，剛開始的時候 ps能夠統(tǒng)計到近似準(zhǔn)確的平均 CPU 占用率，但是 cpu 占用恢復(fù)后，ps的統(tǒng)計值并不會立刻下降，而是會隨著進程運行時間total_process_uptime的增加緩慢下降。

top命令不同， top是通過持續(xù)運行來更新 CPU 占用率統(tǒng)計的。-n 1這個參數(shù)指定 top運行一個迭代后退出，top命令就可以通過這個延遲來可以完成一個迭代內(nèi)的 CPU 占用率統(tǒng)計：

(current_cpu_time - last_cpu_time) / iteration_duration

如何持續(xù)監(jiān)控 CPU 占用率？

通常來說，監(jiān)控系統(tǒng)分為采集和統(tǒng)計兩個不同的組件，采集組件只會采集指標(biāo)數(shù)值，統(tǒng)計功能通過數(shù)據(jù)庫/Dashboard 來實現(xiàn)。要監(jiān)控 CPU 占用率，ps是一個非常符合采集組件行為的統(tǒng)計方式，每次采集都可以拿到“當(dāng)前”的 CPU 占用率。但是受限于算法本身的統(tǒng)計方式，我們實際采集到的是平均 CPU 占用率，無法反映進程的實時狀態(tài)。

以 INFINI Console為例，我們運行一個短時間的數(shù)據(jù)遷移任務(wù)負載，然后查看對應(yīng) INFINI 網(wǎng)關(guān)實例的 CPU 占用監(jiān)控（payload.instance.system.cpu，通過ps方式統(tǒng)計當(dāng)前 CPU 占用率）。可以看到，CPU 占用率會以一個曲線上升，在任務(wù)結(jié)束后會緩慢下降：

如果想持續(xù)監(jiān)控實時 CPU 占用率，我們就需要借鑒top的統(tǒng)計方式，采集原始的進程 CPU 時間，進而通過聚合數(shù)據(jù)來計算 CPU 占用率。

在 Linux 系統(tǒng)下，ps和top命令都會通過/proc/[PID]/stat提供的信息來計算 CPU 占用率[2]：

##  Name      Description14  utime     CPU time spent in user code, measured in jiffies15  stime     CPU time spent in kernel code, measured in jiffies16  cutime    CPU time spent in user code, including time from children17  cstime    CPU time spent in kernel code, including time from children

獲取到每個采樣時間的進程信息后，我們就可以通過這個公式來計算采樣周期內(nèi)的 CPU 占用率：

delta(cpu_time) / delta(timestamp)

在 INFINI Console，我們可以通過deriative函數(shù)來計算payload.instance.system.user_in_ms和payload.instance.system.sys_in_ms相對于timestamp的占比，進而得到準(zhǔn)確的 CPU 占用率統(tǒng)計。

這樣，我們就可以統(tǒng)計到網(wǎng)關(guān)在運行任務(wù)負載前后的實時 CPU 占用率：

總結(jié)

雖然top和ps都可以統(tǒng)計 CPU 占用率，但統(tǒng)計算法卻完全不同。了解這兩種算法的底層原理之后，我們就可以設(shè)計出適合監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)統(tǒng)計方式，采集到準(zhǔn)確的 CPU 占用率。

參考JiffiesTop and ps not showing the same cpu result