Linux下计算CPU使用率和进程CPU占用
1.Linux下CPU使用率计算
1.1 获取CPU相关数据
CPU相关的数据都存储在/proc/stat文件下
cat /proc/stat
可以获取的数据如下所示
cpu 6001763 384590 1904835 211700174 157342 0 63444 0 0 0
cpu0 521999 27988 157444 17621608 11005 0 3532 0 0 0
cpu1 513452 31008 159755 17616935 10683 0 5240 0 0 0
cpu2 530440 34565 159890 17616829 10429 0 4742 0 0 0
cpu3 519640 29076 169149 17621506 9726 0 7541 0 0 0
cpu4 514370 34605 161789 17631065 12992 0 4708 0 0 0
cpu5 523942 36103 166402 17622435 12309 0 2815 0 0 0
cpu6 468207 28426 153570 17660385 15094 0 12511 0 0 0
cpu7 494163 44118 153420 17639615 17222 0 3442 0 0 0
cpu8 468937 29524 151972 17679989 15310 0 3860 0 0 0
cpu9 486031 26383 151794 17674017 15065 0 2664 0 0 0
cpu10 479509 30625 155559 17673558 12349 0 2450 0 0 0
cpu11 481070 32163 164086 17642227 15152 0 9936 0 0 0
......
对于CPU使用率的计算，我们需要关注第一行，即
cpu 6001763 384590 1904835 211700174 157342 0 63444 0 0 0
上述一行中的每个数值单位都是jiffies[1]
分析上述文本，从左到右的文本依次表示
- user(6001763) 从系统启动开始累积到当前时刻，处于用户态的运行时间，不包含 nice 值为负的进程。
- nice(384590) 从系统启动开始累积到当前时刻，nice 值为负的进程所占用的 CPU 时间。
- system(1904835) 从系统启动开始累积到当前时刻，处于核心态的运行时间。
- idle(211700174) 从系统启动开始累积到当前时刻，除 IO 等待时间以外的其他等待时间。
- iowait(157342) 从系统启动开始累积到当前时刻，IO 等待时间。(since 2.5.41)
- irq(0) 从系统启动开始累积到当前时刻，硬中断时间。(since 2.6.0-test4)
- softirq(63444) 从系统启动开始累积到当前时刻，软中断时间。(since 2.6.0-test4)
- stealstolen(0) Which is the time spent in other operating systems when running in a virtualized environment.(since 2.6.11)
- guest(0) Which is the time spent running a virtual CPU for guest operating systems under the control of the Linux kernel.(since 2.6.24)
- guestnice(0)
通过以上数值，可以获得系统启动开始，CPU总的活动时间[2]totalCPUTime为:
\[totalCPUTime(jiffies)=user+nice+system+idle+iowait+irq+softirq+stealstolen+guest+guestnice
\]
CPU总的空闲时间idleCPUTime为：
\[idleCPUTime(jiffies)=idle
\]
在C++中，可以通过以下代码计算得到jiffies的值：
#include <unistd.h>
uint16_t cpu_hz = sysconf(_SC_CLK_TCK);
uint16_t jiffies = 1000 / cpu_hz;
1.2 任意时间间隔计算CPU使用率
- 假设读取两次/proc/stat文件，可以获取两个不同的totalCPUTime，记为totalCPUTime0和totalCPUTime1
- 同样的，可以得到idleCPUTime0和idleCPUTime1
- 记deltaTotalCPUtime为totalCPUTime1和totalCPUTime0的差值
- 记deltaIdleCPUTime为idleCPUTime1和idleCPUTime0的差值
那么，可以计算得到这两次读取之间CPU的使用率[3]：
\[CPU\%= {deltaTotalCPUtime-deltaIdleCPUTime \over deltaTotalCPUtime} \times 100\%
\]
2.Linux下进程的CPU使用率计算
2.1 获取进程的CPU相关数据
不同pid的进程相关的数据，都存储在/proc/${pid}/stat文件下
cat /proc/${pid}/stat
以pid为5995的进程为例
cat /proc/5995/stat
获取的数据如下所示
5995 (gnome-terminal-) S 4128 5995 5995 0 -1 4194304 26845 4629217 403 404
79290 9349 12450 16636 20 0 5 0 12069 950829056 21731
......
其中，前13项参数与进程CPU使用率计算无关，无需关注
- utime=79290 该任务在用户态运行的时间，单位为jiffies
- stime=9349 该任务在核心态运行的时间，单位为jiffies
- cutime=12450 累计的该任务的所有的waited-for进程曾经在用户态运行的时间，单位为jiffies
- cstime=16636 累计的该任务的所有的waited-for进程曾经在核心态运行的时间，单位为jiffies
2.2 任意时间间隔计算进程的CPU使用率
通过计算可以得到进程CPU累计运行时间为：
\[totalProcCPUTime(jiffies)=utime+stime+cutime+cstime
\]
通过两次读取/proc/${pid}/stat文件，可以得到两次间隔之间，进程CPU累计的运行时间：
\[deltaTotalProcCPUTime(jiffies)=totalProcCPUTime1-totalProcCPUTime0
\]
根据1.1中计算deltaTotalCPUtime的方式，获取deltaTotalCPUtime的值
假设CPU核心数为n，那么可以得到进程的CPU使用率为：
\[procCPU\%= {deltaTotalProcCPUTime \over deltaTotalCPUtime }\cdot n \times 100\%
\]
2.3 固定时间间隔计算进程的CPU使用率
假设应用程序以clock的时间间隔循环执行，通过两次运行可以得到进程CPU的差值为deltaTotalProcCPUtime
那么可以得到进程的CPU使用率为：
\[procCPU \% ={deltaTotalProcCPUTime \over clock} \cdot jiffies \times 100 \%
\]
