如何計(jì)算 CPU 占用率？

簡(jiǎn)單來說，進(jìn)程的 CPU 占用率指的是 CPU 有多少時(shí)間花費(fèi)在了運(yùn)行進(jìn)程上。在 Linux 系統(tǒng)里，進(jìn)程運(yùn)行的時(shí)間是以jiffies[1]統(tǒng)計(jì)的，通過計(jì)算jiffies * HZ，就可以得到進(jìn)程消耗的 CPU 時(shí)間，再除以 CPU 的總時(shí)間，就可以得到進(jìn)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(jìn)程。但實(shí)際上這兩個(gè)工具的統(tǒng)計(jì)方式是完全不同的。

我們用下面這個(gè)簡(jiǎn)單的 Go 程序來測(cè)試這兩個(gè)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(yùn)行這個(gè)程序，通過top和ps aux分別查看進(jìn)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(jì)的 CPU 占用率是近似的（由于時(shí)間點(diǎn)并不完全吻合，統(tǒng)計(jì)值也會(huì)有輕微差別）。兩個(gè)工具的差異體現(xiàn)在testBuffer結(jié)束后，top統(tǒng)計(jì)的 CPU 占用率已經(jīng)接近于 0，但是ps依然統(tǒng)計(jì)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(jì)值會(huì)有差異？

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

文章開頭我們提到，Linux 的 CPU 時(shí)間是按照jiffies統(tǒng)計(jì)的，考慮到效率問題，Linux 只會(huì)統(tǒng)計(jì)總值，不會(huì)記錄歷史數(shù)據(jù)。對(duì)于 ps來說，由于只能統(tǒng)計(jì)到瞬時(shí)值，這個(gè)瞬時(shí)值的統(tǒng)計(jì)算法就必然拿不到實(shí)時(shí)的 CPU 占用率，因?yàn)閷?shí)時(shí)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(jì)一次，所以time_duration為0，也就無法計(jì)算這個(gè)占用率。實(shí)際上，ps統(tǒng)計(jì)的是整個(gè)進(jìn)程運(yùn)行周期內(nèi)的 CPU 占用率[2]：

(total_cpu_time / total_process_uptime)

對(duì)于測(cè)試程序這種短時(shí)間的占用率上升，剛開始的時(shí)候 ps能夠統(tǒng)計(jì)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(jì)值并不會(huì)立刻下降，而是會(huì)隨著進(jìn)程運(yùn)行時(shí)間total_process_uptime的增加緩慢下降。

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

(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(jì)兩個(gè)不同的組件，采集組件只會(huì)采集指標(biāo)數(shù)值，統(tǒng)計(jì)功能通過數(shù)據(jù)庫(kù)/Dashboard 來實(shí)現(xiàn)。要監(jiān)控 CPU 占用率，ps是一個(gè)非常符合采集組件行為的統(tǒng)計(jì)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(jì)方式，我們實(shí)際采集到的是平均 CPU 占用率，無法反映進(jìn)程的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

以 INFINI Console為例，我們運(yùn)行一個(gè)短時(shí)間的數(shù)據(jù)遷移任務(wù)負(fù)載，然后查看對(duì)應(yīng) INFINI 網(wǎng)關(guān)實(shí)例的 CPU 占用監(jiān)控（payload.instance.system.cpu，通過ps方式統(tǒng)計(jì)當(dāng)前 CPU 占用率）。可以看到，CPU 占用率會(huì)以一個(gè)曲線上升，在任務(wù)結(jié)束后會(huì)緩慢下降：

如果想持續(xù)監(jiān)控實(shí)時(shí) CPU 占用率，我們就需要借鑒top的統(tǒng)計(jì)方式，采集原始的進(jìn)程 CPU 時(shí)間，進(jìn)而通過聚合數(shù)據(jù)來計(jì)算 CPU 占用率。

在 Linux 系統(tǒng)下，ps和top命令都會(huì)通過/proc/[PID]/stat提供的信息來計(jì)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(gè)采樣時(shí)間的進(jìn)程信息后，我們就可以通過這個(gè)公式來計(jì)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(jì)算payload.instance.system.user_in_ms和payload.instance.system.sys_in_ms相對(duì)于timestamp的占比，進(jìn)而得到準(zhǔn)確的 CPU 占用率統(tǒng)計(jì)。

這樣，我們就可以統(tǒng)計(jì)到網(wǎng)關(guān)在運(yùn)行任務(wù)負(fù)載前后的實(shí)時(shí) CPU 占用率：

總結(jié)

雖然top和ps都可以統(tǒng)計(jì) CPU 占用率，但統(tǒng)計(jì)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(jì)出適合監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方式，采集到準(zhǔn)確的 CPU 占用率。

參考JiffiesTop and ps not showing the same cpu result