平常我們使用 top 命令來查看系統的性能情況，在 top 命令中可以看到很多不同類型的 CPU 使用率，如下圖紅框中標出部分：

下面，我們來介紹一下這些 CPU 使用率的意義：

us：user time，表示 CPU 執行用戶進程的時間，包括 nice 時間。通常都是希望用戶空間CPU越高越好。

sy：system time，表示 CPU 在內核運行的時間，包括 IRQ 和 softirq。系統 CPU 占用越高，表明系統某部分存在瓶頸。通常這個值越低越好。

ni：nice time，具有優先級的用戶進程執行時占用的 CPU 利用率百分比。

id：idle time，表示系統處于空閑期，等待進程運行。

wa：waiting time，表示 CPU 在等待 IO 操作完成所花費的時間。系統不應該花費大量的時間來等待 IO 操作，否則就說明 IO 存在瓶頸。

hi：hard IRQ time，表示系統處理硬中斷所花費的時間。

si：soft IRQ time，表示系統處理軟中斷所花費的時間。

st：steal time，被強制等待（involuntary wait）虛擬 CPU 的時間，此時 Hypervisor 在為另一個虛擬處理器服務。

當然，單靠上面的解釋來理解它們的意義還是比較困難的。所以，本文主要從源碼的角度來分析它們到底代表什么。

時鐘中斷首先，我們要知道統計 CPU 使用情況在什么地方執行的。在分析之前，我們先來了解下 時鐘中斷：

時鐘中斷：是一種硬中斷，由時間硬件（系統定時器，一種可編程硬件）產生。當 CPU 接收到時鐘中斷信號后，會在處理完當前指令后調用 時鐘中斷處理程序 來完成更新系統時間、執行周期性任務等。

可以發現，統計 CPU 使用情況是在 時鐘中斷處理程序 中完成的。

每個 CPU 的使用情況通過 cpu_usage_stat 結構來記錄，我們來看看其定義：

struct cpu_usage_stat {

cputime64_t user;

cputime64_t nice;

cputime64_t system;

cputime64_t softirq;

cputime64_t irq;

cputime64_t idle;

cputime64_t iowait;

cputime64_t steal;

cputime64_t guest;

};

從 cpu_usage_stat 結構的定義可以看出，其每個字段與 top 命令的 CPU 使用率類型一一對應。在內核初始化時，會為每個 CPU 創建一個 cpu_usage_stat 結構，用于統計 CPU 的使用情況。

OK，現在我們來分析下內核是怎么統計 CPU 的使用情況的。

每次執行 時鐘中斷處理程序 都會調用 account_process_tick 函數進行 CPU 使用情況統計，我們來分析一下 account_process_tick 函數的實現：

void account_process_tick（struct task_struct *p， int user_tick）

{

cputime_t one_jiffy_scaled = cputime_to_scaled（cputime_one_jiffy）;

struct rq *rq = this_rq（）;

// 說明：user_tick 變量標識當前是否處于執行用戶應用程序

if （user_tick） {

// 1. 如果 CPU 在執行用戶程序， 那么調用 account_user_time 進行統計

account_user_time（p， cputime_one_jiffy， one_jiffy_scaled）;

} else if （（p ！= rq-》idle） || （irq_count（） ！= HARDIRQ_OFFSET）） {

// 2. 如果 CPU 在執行內核代碼， 那么調用 account_system_time 進行統計

account_system_time（p， HARDIRQ_OFFSET， cputime_one_jiffy，

one_jiffy_scaled）;

} else {

// 3. 否則說明 CPU 在執行 idle 進程（也就是處于空閑狀態）， 那么調用 account_idle_time 進行統計

account_idle_time（cputime_one_jiffy）;

}

}

account_process_tick 函數主要分 3 種情況進行統計，如下：

如果 CPU 在執行用戶程序，那么調用 account_user_time 進行統計。

如果 CPU 在執行內核代碼，那么調用 account_system_time 進行統計。

否則說明 CPU 在執行 idle 進程（也就是處于空閑狀態），那么調用 account_idle_time 進行統計。

CPU 使用情況統計下面我們分別對這 3 種統計進行分析。

1. 統計用戶程序執行時間

統計用戶程序的執行時間是通過 account_user_time 函數來完成的，我們來看看其實現：

void account_user_time（struct task_struct *p， cputime_t cputime，

cputime_t cputime_scaled）

{

// 獲取 CPU 的統計結構（每個CPU一個 cpu_usage_stat 結構）

struct cpu_usage_stat *cpustat = &kstat_this_cpu.cpustat;

cputime64_t tmp;

。..

// 分 2 種情況統計 CPU 的使用情況

// 1. 如果進程的 nice 值大于0， 那么將會統計到 nice 字段中

// 2. 如果進程的 nice 值小于等于0， 那么將會統計到 user 字段中

if （TASK_NICE（p） 》 0）

cpustat-》nice = cputime64_add（cpustat-》nice， tmp）;

else

cpustat-》user = cputime64_add（cpustat-》user， tmp）;

。..

}

account_user_time 函數主要分兩種情況統計：

如果進程的 nice 值大于0，那么將會增加到 CPU 統計結構的 nice 字段中。

如果進程的 nice 值小于等于0，那么增加到 CPU 統計結構的 user 字段中。

這里說明一下進程 nice 值的作用，nice 值越大，說明進程的優先級越低。所以，nice 統計值主要用來統計低優先級進程的占使用 CPU 的情況。也說明了，user 和 nice 統計值都屬于執行用戶程序的 CPU 時間。

2. 統計內核代碼執行時間

如果在發生時鐘中斷前，CPU 處于內核態，也就是說在執行內核代碼。那么將會調用 account_system_time 函數進行統計，account_system_time 函數實現如下：

void account_system_time（struct task_struct *p， int hardirq_offset，

cputime_t cputime， cputime_t cputime_scaled）

{

// 獲取 CPU 的統計結構（每個CPU一個 cpu_usage_stat 結構）

struct cpu_usage_stat *cpustat = &kstat_this_cpu.cpustat;

cputime64_t tmp;

。..

// 主要分 3 種情況進行統計

// 1. 如果當前處于硬中斷執行上下文， 那么統計到 irq 字段中

// 2. 如果當前處于軟中斷執行上下文， 那么統計到 softirq 字段中

// 3. 否則統計到 system 字段中

if （hardirq_count（） - hardirq_offset）

cpustat-》irq = cputime64_add（cpustat-》irq， tmp）;

else if （softirq_count（））

cpustat-》softirq = cputime64_add（cpustat-》softirq， tmp）;

else

cpustat-》system = cputime64_add（cpustat-》system， tmp）;

。..

}

account_system_time 函數主要分 3 種情況進行統計：

如果當前處于硬中斷執行上下文，那么增加到 CPU 統計結構的 irq 字段中。

如果當前處于軟中斷執行上下文，那么增加到 CPU 統計結構的 softirq 字段中。

否則增加到 CPU 統計結構的 system 字段中。

從上面代碼可以看出，irq 和 softirq 統計值也算是內核代碼執行時間。

3. idle 進程執行時間統計

當系統中沒有可運行的進程時，將會執行 idle 進程。也就是說，當系統執行 idle 進程時，表示系統正處于空閑狀態。

idle 進程執行時間統計由 account_idle_time 函數完成，其實現如下：

void account_idle_time（cputime_t cputime）

{

struct cpu_usage_stat *cpustat = &kstat_this_cpu.cpustat;

cputime64_t cputime64 = cputime_to_cputime64（cputime）;

struct rq *rq = this_rq（）;

// 分 2 種情況統計 CPU 的使用情況

// 1. 如果系統有進程正在等待 I/O 操作完成， 那么將統計到 iowait 字段中

// 2. 否則將統計到 idle 字段中

if （atomic_read（&rq-》nr_iowait） 》 0）

cpustat-》iowait = cputime64_add（cpustat-》iowait， cputime64）;

else

cpustat-》idle = cputime64_add（cpustat-》idle， cputime64）;

}

account_idle_time 函數也分兩種情況進行統計：

如果系統中有正在等待 I/O 操作完成的進程，那么增加到 CPU 統計結構的 iowait 字段中。

否則增加到 CPU 統計結構的 idle 字段中。

從上面的分析可以看出，iowait 統計值也屬于空閑時間的一種。

top 命令的 CPU 使用率通過源碼分析，我們知道 top 命令中 CPU 使用率各種類型的意思，現在我們來介紹一下 top 命令是怎么計算各種類型的 CPU 使用率。

要獲取各個 CPU 的使用情況信息，可以通過讀取 /proc/stat 文件獲取，如下：

［vagrant@localhost ~］$ cat /proc/stat

cpu 245 10 1142 1097923 95 0 28 0 0 0

cpu0 245 10 1142 1097923 95 0 28 0 0 0

。..

上面的結果顯示了 CPU 的使用情況信息，第一行代表所有 CPU 的總和，而第二行開始表示每個 CPU 核心的使用情況信息。因為我的電腦只有一個核，所以只有一條數據。

下面說說這些數據的意義，從第一個數值開始分別代表：user ，nice，system，idle，iowait， irq，softirq，steal。

所以，top 命令的 CPU 使用率計算公式如下：

CPU總時間 = user + nice + system + idle + wait + irq + softirq + steal

%us = user / CPU總時間

%ni = nice / CPU總時間

%sy = system / CPU總時間

%id = idel / CPU總時間

%wa = wait / CPU總時間

%hi = irq / CPU總時間

%si = softirq / CPU總時間

%st = steal / CPU總時間

嗯，看起來還是挺簡單的。

總結本文主要分析了 top 命令中的 CPU 使用率的意義和實現原理，希望通過本文，能夠幫助大家對 top 命令有更深的認識。

責任編輯：haq