Linux CPU时间的一点理解

最新推荐文章于 2024-08-12 19:55:09 发布

原创最新推荐文章于 2024-08-12 19:55:09 发布 · 2.6k 阅读

4 ·

CC 4.0 BY-SA版权

Linux内核分析专栏收录该内容

22 篇文章

订阅专栏

本文详细解析Linux系统中CPU时间的分类，包括用户空间、内核态、中断等各类CPU时间的定义与统计原理。并通过核心代码解读，揭示了不同CPU时间类型的计算方式及其实现细节。

1.CPU时间分类

vmstat可以显示cpu使用时间的分类统计:
执行指令:vmstat -s 时，实际从/proc/stat节点读取cpu显示，然后进行回显:

内核对应的CPU时间类型有以下几种:

类别	说明
CPUTIME_USER	用户空间占用CPU时间
CPUTIME_NICE	高nice进程(低优先级），用户空间占用时间
CPUTIME_SYSTEM	内核态占用CPU时间
CPUTIME_SOFTIRQ	软件中断占用CPU时间
CPUTIME_IRQ	硬中断占用CPU时间(这个没搞懂)
CPUTIME_IDLE	CPU空闲时间
CPUTIME_IOWAIT	CPU等待IO时间
CPUTIME_STEAL	Guest OS等待real cpu的时间(虚拟机查看)
CPUTIME_GUEST	Guest OS 消耗的时间(物理机里查看)
CPUTIME_GUEST_NICE

2.内核实现

/*account_process_tick会在每个TICK中断被调用，user_tick从当前CPU工作模式决定
主要计算了各种CPU使用时间
*/
void account_process_tick(struct task_struct *p, int user_tick)
{
	u64 cputime, steal;
	struct rq *rq = this_rq();

	cputime = TICK_NSEC;
	if (user_tick)/*统计userspace时间 */
		account_user_time(p, cputime);
	else if ((p != rq->idle) || (irq_count() != HARDIRQ_OFFSET))
		account_system_time(p, HARDIRQ_OFFSET, cputime);/*内核态运行时间 */
	else
		account_idle_time(cputime);/*CPU空闲时间 */
}

/* 用户时间统计
这里把高nice(低优先级)进程时间进行区分。
*/
void account_user_time(struct task_struct *p, u64 cputime)
{
	int index;

	/* 把时间累加到当前进程. */
	p->utime += cputime;
	account_group_user_time(p, cputime);//account_process_tick-

	index = (task_nice(p) > 0) ? CPUTIME_NICE : CPUTIME_USER;

	/* 把cpu时间累计到当前CPU */
	task_group_account_field(p, index, cputime);

	/* Account for user time used */
	acct_account_cputime(p);
}

/* 
系统CPU时间实际分三种
Hardirq:硬中断时间
softirq:软中断运行时间
system:内核运行时间
*/
void account_system_time(struct task_struct *p, int hardirq_offset, u64 cputime)
{
	int index;

	/*hardirq的计算没理解，Linux中断不可重入，也就是这里一直是0(除非NMI抢占了hardirq) */
	if (hardirq_count() - hardirq_offset)
		index = CPUTIME_IRQ;
	else if (in_serving_softirq())/* 软中断时间*/
		index = CPUTIME_SOFTIRQ;
	else
		index = CPUTIME_SYSTEM;/* 内核运行时间*/

	account_system_index_time(p, cputime, index);/*更新对应的运行时间 */
}
/* 
idle时间分类纯idle和iowait时间
iowait的一点理解：当前CPU存在iowait的进行，且当前cpu处于idle状态
nr_iowait在schedule函数累加.
*/
void account_idle_time(u64 cputime)
{
	u64 *cpustat = kcpustat_this_cpu->cpustat;
	struct rq *rq = this_rq();

	if (atomic_read(&rq->nr_iowait) > 0)
		cpustat[CPUTIME_IOWAIT] += cputime;
	else
		cpustat[CPUTIME_IDLE] += cputime;
}

3.统计精度

由于CPU统计时间是在每个TICK中断中，而且把整个TICK时间，都计算到当前进程，那么在一个TICK周期，可能发生:
1. 一个进程多次在用户态和内核态切换,而最终会把整个tick时间计算在用户态或者内核态
2.多个进程在TICK周期内运行过.而最终会把真个tick时间计算在当前进程.
结论:各种CPUTIME的统计精度是TICK,且并不准确, 只能大体反应CPU运行情况.但是这种统计，并不影响我们分析问题.