Linux CPU 使用率

Linux 作为一个多任务操作系统，将每个 CPU 的时间划分为很短的时间片，再通过调度器轮流分配各个任务使用，因此造成多任务同时运行的错觉。

为了维护 CPU 时间，Linux 通过事先定义的节拍率（内核中表示为 HZ），触发时间中断，并使用全局变量 Jiffies 记录开机以来的节拍数。每发生一次中断，Jiffies 的值就加 1。

节拍率 HZ 是内核的可配选项，可以设置为 100、250、1000 等。不同的系统可能设置不同的数值，可以通过查询 /boot/config 内核选项来查看它的配置值。

grep CONFIG_HZ= /boot/config-$(uname -r)

由于节拍率 HZ 是内核选项，所以用户空间程序并不能直接访问。为了方便用户空间程序，内核还提供了一个用户空间节拍率 USER_HZ 它总是固定为 100，也就是 $\frac{1}{100}$。这样，用户空间程序并不需要关心内核中的节拍率设置成了多少，因为它看到的总是固定值 USER_HZ。

Linux 通过 /proc 虚拟文件系统，向用户空间提供了系统内部状态的信息，而 /proc/stat 提供的就是系统的 CPU 和任务统计信息。

cat /proc/stat | grep ^cpu

运行结果如下：

其中第一列表示的是 CPU 编号，而第一行没有编号的 cpu，表示的是所有 CPU 的累加，其他列则表示不同场景下 CPU 的累加节拍数，它的单位是 USER_HZ，也就是 10ms。其余各列的含义如下：

• user（通常缩写为，us），代表用户态 CPU 时间。注意，它不包括下面的 nice 时间，但包括了 guest 时间。
• nice（通常缩写为，ni），代表低优先级用户态 CPU 时间，也就是进程的 nice 值被调整为 1-19 之间时的 CPU 时间。这里注意，nice 的取值范围是 -20 到 19，数值越大，优先级越低。
• system（通常缩写为，sys），代表内核态 CPU 时间。
• idle（通常缩写为，id），代表空闲时间。注意，它不包括等待 IO 的时间（iowait）。
• iowait（通常缩写为，wa），代表等待 IO 的 CPU 时间。
• irq（通常缩写为，hi），代表处理硬中断的 CPU 时间。
• softirq（通常缩写为，si），代表处理软中断的 CPU 时间。
• steal（通常缩写为，st），代表当系统运行在虚拟机中的时候，被其他虚拟机占用的 CPU 时间。
• guest（通常缩写为，guest），代表通过虚拟化运行其他操作系统的时间，也就是运行虚拟机的 CPU 时间。
• guest_nice（通常缩写为，gnice），代表以低优先级运行虚拟机的时间

而 CPU 使用率，就是除了空闲时间外的其他时间占总 CPU 时间的百分比，用公式来表示就是：
$$CPU使用率=1-\frac{空闲时间}{总CPU时间}$$

这里计算得到的 CPU 使用率是从开机以来的平均使用率。

实际上，为了计算 CPU 使用率性能工具一般都会取间隔一段时间（比如 3 秒）的两次值，作差后，再计算出这段时间内的平均 CPU 使用率，即：

$$平均CPU使用率=1-\frac{空闲时{间}_{new}-空闲时{间}_{old}}{总CPU时{间}_{new}-总CPU时{间}_{old}}$$

下面是一个 python 的例子

import time
import subprocess

TIME = 5
cmd = 'cat /proc/stat | grep ^cpu | head -n 1'

old = subprocess.Popen(cmd, shell=True, stdout=subprocess.PIPE, stderr=subprocess.PIPE)
old = list(map(int, old.stdout.read().decode('utf-8').split()[1:]))
time.sleep(TIME)
new = subprocess.Popen(cmd, shell=True, stdout=subprocess.PIPE, stderr=subprocess.PIPE)
new = list(map(int, new.stdout.read().decode('utf-8').split()[1:]))

id_old, id_new = old[3], new[3]
print(f'cpu usage: {1 - (id_new - id_old) / (sum(new) - sum(old))}')

运行结果如下