一文秒懂CPU使用率

CPU：Cores, and Hyper-Threading

超线程（Hyper-Threading ）

超线程是Intel最早提出一项技术，最早出现在2002年的Pentium4上。单个采用超线程的CPU对于操作系统来说就像有两个逻辑CPU，为此P4处理器需要多加入一个Logical CPU Pointer（逻辑处理单元）。

虽然采用超线程技术能同时执行两个线程，但它并不像两个真正的CPU那样，每个CPU都具有独立的资源。当两个线程都同时需要某一个资源时，其中一个要暂时停止，并让出资源，直到这些资源闲置后才能继续。因此超线程的性能并不等于两颗CPU的性能。

多核（multi-cores）

最开始CPU只有一个核（core），为了提高性能，引入了双核CPU，四核CPU等，双核CPU能同时执行两个线程。和超线程不同的是，双核CPU是实打实的有两个central processing units在一个CPU chip。

上图显示主板上有1个插槽（socket），这个插槽插着一个CPU，这个CPU有4个核（core），每个核都使用超线程技术，所以这台机器总共有8个逻辑核。

CPU使用率计算

CPU使用率测试

一台拥有8个logic core CPU的机器，执行如下程序：

#include <pthread.h>const int num = 9;
pthread_t threads[num];void *func(void* arg) {
while(1) {}
return ((void *)0);
}int main(int argc, char* argv[]) {
for (int i = 0; i < num; i++) {
pthread_create(&threads[i], NULL, func, NULL);
}
for (int i = 0; i < num; i++) {
pthread_join(threads[i], NULL);
}
return 0;
}


该程序开启9个线程每个线程都执行一个死循环。执行后用top查看cpu使用情况：

332 root 20 0 84312 612 416 S 800.0 0.0 7:18.41 cputest


可以看到cputest的CPU使用情况为800%，也就是8个logic core都在执行cputest这个进程。

而在一个只有1个logic的CPU上跑的结果如下：

13812 ubuntu 20 0 80284 708 628 S 97.7 0.1 0:10.14 cputest


可以看到，纵使开启了9个线程，每个线程都执行死循环，CPU使用率只有97.7%。

如何计算CPU使用率

1. %CPU -- CPU Usage
The task's share of the elapsed CPU time since the last screen update, expressed as a percentage of total CPU time. In a true SMP environment, if a process is multi-threaded and top is not operating in Threads mode, amounts greater than 100% may be reported. You toggle
Threads mode with the `H' interactive command. Also for multi-processor environments, if Irix mode is Off, top will operate in Solaris mode where a task's cpu usage will be divided by the total number
of CPUs. You toggle Irix/Solaris modes with the `I' interactive command.


以上截取自man top中对于CPU使用率的定义，总结来说某个进程的CPU使用率就是这个进程在一段时间内占用的CPU时间占总的CPU时间的百分比。

比如某个开启多线程的进程1s内占用了CPU0 0.6s, CPU1 0.9s, 那么它的占用率是150%。这样就不难理解上例中cputest进程CPU占用率为800%这个结果了。

实现CPU使用率统计程序

某进程cpu使用率 = 该进程cpu时间 / 总cpu时间。

/proc/pid/stat中可以得出进程自启动以来占用的cpu时间。以bash进程为例:

79 (bash) S 46 79 79 34816 0 0 0 0 0 0 46 135 387954 4807 20 0 1 0 6114 232049254400 873 18446744073709551615 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0


第14项utime和第15项stime分别表示bash自启动起来，执行用户代码态占用的时间和执行内核态代码占用的时间，单位是clock tick，clock tick是时间单位。这两项的详细解释如下（摘自man proc）：

(14) utime %lu
Amount of time that this process has been scheduled in user mode, measured in clock ticks (divide by sysconf(_SC_CLK_TCK)). This includes
guest time, guest_time (time spent running a virtual CPU, see below), so that applications that are not aware of the guest time field do not
lose that time from their calculations. (15) stime %lu
Amount of time that this process has been scheduled in kernel mode, measured in clock ticks (divide by sysconf(_SC_CLK_TCK)).


每个clock tick占用多少时间呢？

可以通过sysconf(_SC_CLK_TCK)获取1秒内有多少个clock tick（通常是100）。也就是说1 clock tick为1 / 100秒。

有了上面的基础，

我们可以每隔period秒读取/proc/pid/stat，解析其中的utime和stime，将其和(utime+stime)减去上一次采样时这两项的和(lastutime + laststime)，这就是period秒内该进程占用CPU的时间，单位为clock tick。

总的CPU时间为period * sysconf(_SC_CLK_TCK)，单位也为clock tick。

所以公式如下：

某进程cpu使用率 = ((utime+stime) - (lastutime + laststime)) / (period * sysconf(_SC_CLK_TCK))

以下是实现：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/time.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>
#include <fstream>
#include <iostream>
#include <sstream>using namespace std;struct StatData
{
void parse(const string& content)
{
size_t rp = content.rfind(')');
std::istringstream iss(content.data() + rp + 1); // 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 13 15
// 3770 (cat) R 3718 3770 3718 34818 3770 4202496 214 0 0 0 0 0 0 0 20
// 16 18 19 20 21 22 23 24 25
// 0 1 0 298215 5750784 81 18446744073709551615 4194304 4242836 140736345340592
// 26
// 140736066274232 140575670169216 0 0 0 0 0 0 0 17 0 0 0 0 0 0 iss >> state;
iss >> ppid >> pgrp >> session >> tty_nr >> tpgid >> flags;
iss >> minflt >> cminflt >> majflt >> cmajflt;
iss >> utime >> stime >> cutime >> cstime;
iss >> priority >> nice >> num_threads >> itrealvalue >> starttime;
}
string name;
char state;
int ppid;
int pgrp;
int session;
int tty_nr;
int tpgid;
int flags; long minflt;
long cminflt;
long majflt;
long cmajflt; long utime;
long stime;
long cutime;
long cstime; long priority;
long nice;
long num_threads;
long itrealvalue;
long starttime;
};int clockTicks = static_cast<int>(::sysconf(_SC_CLK_TCK));
const int period = 2;
int pid;
int ticks;
StatData lastStatData;bool processExists(pid_t pid)
{
char filename[256];
snprintf(filename, sizeof filename, "/proc/%d/stat", pid);
return ::access(filename, R_OK) == 0;
}//read /proc/pid/stat
string readProcFile(int pid) {
char filename[256];
snprintf(filename, sizeof filename, "/proc/%d/stat", pid);
ifstream in;
in.open(filename);
stringstream ss;
ss << in.rdbuf();string ret = ss.str();
return ret;
}double cpuUsage(int userTicks, int sysTicks, double kPeriod, double kClockTicksPerSecond)
{
return (userTicks + sysTicks) / (kClockTicksPerSecond * kPeriod); //CPU使用率计算
}void tick(int num) {
string content = readProcFile(pid);StatData statData;
memset(&statData, 0, sizeof statData);
statData.parse(content);
if (ticks > 0) {
int userTicks = std::max(0, static_cast<int>(statData.utime - lastStatData.utime));
int sysTicks = std::max(0, static_cast<int>(statData.stime - lastStatData.stime));
printf("pid %d cpu usage:%.1f%%\n", pid, cpuUsage(userTicks, sysTicks, period, clockTicks) * 100);
}
ticks++;
lastStatData = statData;
}int main(int argc, char* argv[]) {
if (argc < 2) {
printf("Usage: %s pid\n", argv[0]);
return 0;
}
pid = atoi(argv[1]);
if (!processExists(pid)) {
printf("Process %d doesn't exist.\n", pid);
return 1;
}if (signal(SIGALRM, tick) == SIG_ERR) {
exit(0);
}struct itimerval tick;
memset(&tick, 0, sizeof tick);
tick.it_value.tv_sec = period;
tick.it_value.tv_usec = 0;
tick.it_interval.tv_sec = period;
tick.it_interval.tv_usec = 0;setitimer(ITIMER_REAL, &tick, NULL);while (1) {
pause();
}return 0;
}


代码很简单，每隔两秒采一次样，计算这两秒内指定进程的CPU使用率。

为了测试，先将前文的cputest运行起来，该程序会占满8个logic core。

./cputest &，然后top看下CPU使用率，大约占用了800%的CPU。

867 root 20 0 84312 616 416 S 800.0 0.0 17:44.60 cputest


接着用我们的自己的写的程序看下，pid是867，

./cpumon 867

pid 867 cpu usage:786.0%
pid 867 cpu usage:785.5%
pid 867 cpu usage:787.5%
pid 867 cpu usage:759.5%
pid 867 cpu usage:781.5%
pid 867 cpu usage:791.5%
pid 867 cpu usage:743.5%
pid 867 cpu usage:782.0%
pid 867 cpu usage:777.5%
pid 867 cpu usage:785.0%
pid 867 cpu usage:790.5%
pid 867 cpu usage:786.0%
^C


可以看到每隔两秒都会计算一次，使用率略低于800%，也可以理解，因为现在cpumon也会占用一定的CPU时间。

参考资料：

CPU Basics: Multiple CPUs, Cores, and Hyper-Threading Explained