linux下一个C语言要求CPU采用

部分   从灾难中

本来我想写一个小程序来测试CPU其他工具利用它可以检验类数据的性能。以后参考IPbench中间cpu_target_lukem插件实现我们的功能。原理非常简单：就是我们给程序设置了极低的优先级，假设有不论什么计算任务都会打断它，而假设没有计算任务，我们的程序就会占用cpu时间，所以我们的程序的执行时间基本上能够算作CPU的闲暇时间。

所以我们计算总的CPU利用率的方法就是  ： CPU利用率 = 1 - 程序占用cpu时间/程序总的执行时间。

主要功能实现代码例如以下:

1. x0 = get_cycles();        //last cycle count values
2. while (calc) {
3. x1 = x0;              //last cycle count values gives to x1
4. x0 = get_cycles();    //the current  count values
5. delta = x0 - x1;      // ∆t
6. total += delta;       //adds ∆t to a running total
7. /* If the delta looks like less than a context switch,add this to idle time; otherwise add it to busy time */
8. if (delta < PROFILE_CONTEXT_COST)
9. idle += delta;
10. timer_buffer.idle = idle;
11. timer_buffer.total = total;
12. }

从而本程序中的CPU利用率 = (1- timer_buffer.idle/timer_buffer.total)*100 %，

之后我们编译执行本程序。程序输出为：

[11:43.32] dbg: Average CPU time is 5.2

[11:43.34] dbg: Average CPU time is 5.2

这时候我们使用 " ps -au "命令。会找到这一条信息：  

long     11741
 95.7  0.0  19668   520 pts/16   SNl+ 11:40   2:58 ./a.out

熟悉ps命令的童鞋们知道。long表示该进程占用了多少虚拟内存量；表示该进程占用了多少固定内存量。pts/16表示登陆port。SNl+为和上面介绍的进程状态一样（R/S/D/T/Z进程）；11:40为该进程触发启动的时间； 2:58表示该进程占用CPU的时间；./a.out表示触动该进程的命令
。

所以ps命令显示的是我们a.out的CPU利用率高达95.7%（也就是说95.7%CPU都是闲暇的。所以我们的程序測得CPU利用率为5.2% 也相差不大）。

接着，我做了第二个測试，我把a.out拷贝了一份b.out，同一时候执行他们我们会看到例如以下信息：

a.out 显示的 ：

[11:47.50] dbg: Average CPU time is 6.1

[11:47.52] dbg: Average CPU time is 6.1

b.out 显示的s :

[11:48.20] dbg: Average CPU time is 10.2

[11:48.22] dbg: Average CPU time is 10.2

这时候我使用 "ps -au" 再查看a.out和b.out信息例如以下:

long     11741
94.1  0.0  19668   520 pts/16   SNl+ 11:40   7:26 ./a.out

long     11905 90.9  0.0  19668   516 pts/17   SNl+ 11:46   2:08 ./b.out

卧槽，顿时崩溃啊。到了这，我产生了三个疑问：第一、为毛执行a.out和b.out显示的CPU利用率不一样……第二、为毛在ps中显示的a.out和b.out的CPU利用率不一样？第三、为毛ps中a.out和b.out的CPU利用率分别为94.1%和90.0%，而两者加一起远远大于100%？。！我晕了，那Linux究竟是怎样定义CPU利用率的呢？

第二节   CPU利用率和CPU负载

      在Linux/Unix下，CPU利用率（CPU utilization）分为用户态，系统态和空暇态，分别表示CPU处于用户态运行的时间，系统内核运行的时间，和空暇系统进程运行的时间。平时所说的CPU利用率是指：CPU运行非系统空暇进程的时间 / CPU总的运行时间。(上述代码中使用的方法为：1
- CPU空暇执行时间/总执行时间 ，与这个计算方法原理上是一样的）

      在Linux的内核中，有一个全局变量：Jiffies。 Jiffies代表时间。它的单位随硬件平台的不同而不同，系统里定义了一个常数HZ----代表每秒种最小时间间隔的数目。这样jiffies的单位就是1/HZ。

Intel平台jiffies的单位是1/100秒，这就是系统所能分辨的最小时间间隔了。

每一个CPU时间片，Jiffies都要加1。
CPU的利用率就是用运行用户态+系统态的Jiffies除以总的Jifffies来表示。

      那么。另一个常常easy与CPU利用率（CPU
utilization）混淆的词 -- CPU负载（CPU load）。

CPU负载取决于CPU队列长度而不是CPU利用率，由于一个主机负载过重时。它的CPU利用率会接近100%，从而无法准确反应负载状况，而使用CPU队列长度则能够非常直接反应CPU的负载量。比方说两个系统，当中一个系统有3个进程在队列中。而还有一台有6个进程在队列，假设使用CPU利用率表示负载水平，他们可能都是接近100%，而使用CPU队列长度他们的负载量全然不同。

     

    我们怎样理解CPU负载？一仅仅单核的处理器能够形象得比喻成一条单车道。那么：

    *** 0.00 表示眼下桥面上没有不论什么的车流。

实际上这样的情况与 0.00 和 1.00
之间是同样的，总而言之非常通畅，过往的车辆能够丝毫不用等待的通过。

    *** 1.00 表示刚好是在这座桥的承受范围内。 这样的情况不算糟糕。仅仅是车流会有些堵，只是这样的情况可能会造成交通越来越慢。

    *** 超过 1.00。那么说明这座桥已经超出负荷。交通严重的拥堵。 那么情况有多糟糕？ 比如 2.00 的情况说明车流已经超出了桥所能承受的一倍。那么将有多余过桥一倍的车辆正在焦急的等待。

3.00 的话情况就更不妙了。说明这座桥基本上已经快承受不了。还有超出桥负载两倍多的车辆正在等待。

                          

    上面的情况和处理器的负载情况很相似。一辆汽车的过桥时间就好比是处理器处理某线程 的实际时间。

Unix
系统定义的进程执行时长为全部处理器内核的处理时间加上线程 在队列中等待的时间。

和收过桥费的管理员一样。你当然希望你的汽车（操作）不会被焦急的等待。所以，理想状态 下。都希望负载平均值小于 1.00 。当然不排除部分峰值会超过 1.00，但长此以往保持这 个状态，就说明会有问题，这时候你应该会非常焦急。

     在多处理器系统中，负载均值是基于内核的数量决定的。

以
100% 负载计算，1.00 表示单个处理器，而 2.00 则说明有两个双处理器，那么 4.00 就说明主机具有四个处理器。回到我们上面有关车辆过桥的比喻。

1.00 我说过是「一条单车道的道路」。

那么在单车道 1.00 情况中。说明这桥梁已经被车塞满了。而在双处理器系统中，这意味着多出了一倍的 负载，也就是说还有 50% 的剩余系统资源 ---- 由于还有另外条车道能够通行。

                          

所以，单处理器已经在负载的情况下，双处理器的负载满额的情况是 2.00，它另一倍的资源能够利用。

      实际上Linux系统中非常多都是用CPU负载均值（load average）来代表当前系统的负载状况，比方使用top命令：

1. long@long-Ubuntu:~$ top
2. top - 20:12:45 up  3:05,  6 users,  load average: 1.16, 1.27, 1.14
3. Tasks: 208 total,   1 running, 206 sleeping,   0 stopped,   1 zombie
4. %Cpu(s): 11.8 us,  3.7 sy,  0.0 ni, 84.4 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
5. KiB Mem:   2067372 total,  1998832 used,    68540 free,    54104 buffers
6. KiB Swap:  2095100 total,    25540 used,  2069560 free,   449612 cached
7. PID USER      PR  NI  VIRT  RES  SHR S  %CPU %MEM    TIME+  COMMAND
8. 6635 long      20   0  435m  79m  32m S   7.3  3.9  11:31.39 rhythmbox
9. 4523 root      20   0  110m  61m 4804 S   5.3  3.0   8:34.14 Xorg
10. 5316 long       9 -11  162m 5084 4088 S   4.3  0.2   6:01.53 pulseaudio
11. 5793 long      20   0  114m  22m  13m S   4.3  1.1   0:23.38 gnome-terminal
12. ……

在第一行的最后显示的为 “ load average： 1.16 ,  1.27  ,1.14”

使用“uptime”命令，效果也是类似：

1. long@long-Ubuntu:~$ uptime
2. 20:15:01 up  3:07,  6 users,  load average: 0.43, 0.97, 1.05

这三个数各自是：一分钟内、五分钟内、十五分钟内的系统负载均值。也就是说，从右向左看这几个数据，我们能够推断系统负载的发展趋势。

其实。这正是CPU负载所须要測量的，由于负载均值不包含那些等待I/O、网络、数据或者其它不依赖CPU的进程或线程，它关注的不过积极要求CPU时间的进程或线程。这与CPU利用率是有非常大不同的。

负载均值与CPU利用率在两个方面有非常大的差别：

    1) 负载均值用来估量CPU利用率的发展趋势，而不是某一时刻的状况

    2) 负载均值包含全部CPU的需求，而不不过在測量时活跃的

第三节   怎样计算CPU利用率

在Linux系统中。能够用/proc/stat文件来计算cpu的利用率(具体可參考)。这个文件包括了全部CPU活动的信息。该文件里的全部值都是从系统启动開始累计到当前时刻。

如：

1. long@long-Ubuntu:~$ cat /proc/stat
2. cpu  426215 701 115732 2023866 27329 4 557 0 0 0
3. cpu0 218177 117 57458 1013633 8620 0 6 0 0 0
4. cpu1 208038 584 58274 1010233 18709 4 550 0 0 0
5. intr 21217894 119 18974 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 146350 0 647836 370 86696 3 146156 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 0 0
6. ctxt 38682044
7. btime 1362301653
8. processes 10118
9. procs_running 1
10. procs_blocked 0
11. softirq 11177991 0 6708342 2178 148765 86792 0 14537 1507468 29072 2680837

输出解释：

（CPU 以及CPU0、CPU1、CPU2、CPU3每行的每一个參数意思（以第一行为例））

參数	解释
user (426215)	从系统启动開始累计到当前时刻，用户态的CPU时间（单位：jiffies） ，不包括 nice值为负进程。1jiffies=0.01秒
nice (701)	从系统启动開始累计到当前时刻，nice值为负的进程所占用的CPU时间（单位：jiffies）
system (115732)	从系统启动開始累计到当前时刻，核心时间（单位：jiffies）
idle (2023866)	从系统启动開始累计到当前时刻。除硬盘IO等待时间以外其他等待时间（单位：jiffies）
iowait (27329)	从系统启动開始累计到当前时刻，硬盘IO等待时间（单位：jiffies） ，
irq (4)	从系统启动開始累计到当前时刻。硬中断时间（单位：jiffies）
softirq (557)	从系统启动開始累计到当前时刻，软中断时间（单位：jiffies）

CPU时间=user+system+nice+idle+iowait+irq+softirq



“intr”这行给出中断的信息，第一个为自系统启动以来。发生的全部的中断的次数。然后每一个数相应一个特定的中断自系统启动以来所发生的次数。



“ctxt”给出了自系统启动以来CPU发生的上下文交换的次数。



“btime”给出了从系统启动到如今为止的时间，单位为秒。

“processes (total_forks) 自系统启动以来所创建的任务的个数目。

“procs_running”：当前执行队列的任务的数目。

“procs_blocked”：当前被堵塞的任务的数目。





那么CPU利用率能够使用下面两个方法。先取两个採样点，然后计算其差值：

cpu usage=(idle2-idle1)/(total_2
- total_1)*100

cpu usage=[(user_2 +sys_2+nice_2) - (user_1 + sys_1+nice_1)]/(total_2 - total_1)*100

第四节   对第一节中的puzzle进行解释

       再回想一下三个疑问：第一、为毛执行a.out和b.out显示的CPU利用率不一样……第二、为毛在ps中显示的a.out和b.out的CPU利用率不一样？第三、为毛ps中a.out和b.out的CPU利用率分别为94.1%和90.0%，而两者加一起远远大于100%？！！

实际上，这些问题感觉非常诡异。可是经过我一番学习之后。发现，答案事实上非常easy。

首先，为啥a.out和b.out显示的CPU利用率不一样？在我问我们老师Nicholas
Mc Guire的邮件上，他回复“cpu utilization is a per cpu value of how much time the CPU is spending with process X” 也就是说CPU利用率是一个程序占用一个CPU处理器多少时间的百分比值。（他说的是某个进程占有的CPU利用率。如top上显示的！

而我想要算的是总的的CPU利用率，可是他提到了process
X ！也就是说，如上面的双处理器的负载满额的情况是 2.00。我的机器是双核。所以，这里a.out和b.out算得各自是两个CPU核心上的利用率！

）

而经过一段时间后，a.out和b.out显示的值都会非常接近！由于，双核的计算任务不可能相差非常大的！

如某一时间。a.out显演示样例如以下：

1. [15:50.31] dbg: Average CPU time is 13.2
2. [15:50.33] dbg: Average CPU time is 13.2

此时b.out显演示样例如以下：

1. [15:50.31] dbg: Average CPU time is 13.0
2. [15:50.33] dbg: Average CPU time is 13.0

而。此时top结果：

1. long@long-Ubuntu:~$ top
2. top - 15:40:31 up  7:01,  6 users,  load average: 2.20, 2.40, 2.31
3. Tasks: 208 total,   1 running, 206 sleeping,   0 stopped,   1 zombie
4. %Cpu(s):  4.0 us,  1.2 sy, 94.9 ni,  0.0 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
5. KiB Mem:   2067372 total,  1970184 used,    97188 free,    20812 buffers
6. KiB Swap:  2095100 total,    72400 used,  2022700 free,   449896 cached
7. PID USER      PR  NI  VIRT  RES  SHR S  %CPU %MEM    TIME+  COMMAND
8. 14944 long      39  19 19668  520  432 S  91.3  0.0  34:07.64 a.out
9. 14952 long      39  19 19668  516  432 S  90.7  0.0  33:54.69 b.out
10. 4597 root      20   0 99396  35m 5620 S   3.3  1.8  27:26.09 Xorg

这个观点能够通过例如以下方法论证：

假设我把a.out再拷贝两个副本分别叫c.out和d.out。那么top命令下，显演示样例如以下所看到的，a.out和b.out原来分别占90%左右。如今a.out、b.out、c.out和d.out则分别占40%左右，我们能够理解成。原先a.out占用cpu0的90%空暇时间（上文已经提到：由于我们的程序就是设置了极低的优先级，假设有不论什么计算任务都会打断，而假设没有计算任务，我们的程序就会占用cpu时间。所以占用的都是空间时间），而b.out占用cpu1的90%空暇时间，而如今c.out和a.out平分了cpu0的这90%空暇时间。d.out和b.out平分了cpu1的这90%空暇时间，所以。a.out、b.out、c.out和d.out此时的CPU利用率则分别占40%左右。

1. long@long-Ubuntu:~$ top
2. top - 15:53:44 up  7:14,  8 users,  load average: 3.76, 3.01, 2.65
3. Tasks: 213 total,   1 running, 211 sleeping,   0 stopped,   1 zombie
4. %Cpu(s): 21.7 us,  9.5 sy, 68.8 ni,  0.0 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
5. KiB Mem:   2067372 total,  1981532 used,    85840 free,    18416 buffers
6. KiB Swap:  2095100 total,    75832 used,  2019268 free,   415140 cached
7. PID USER      PR  NI  VIRT  RES  SHR S  %CPU %MEM    TIME+  COMMAND
8. 14944 long      39  19 19668  520  432 S  37.5  0.0  45:04.77 a.out
9. 15856 long      39  19 19668  516  432 S  33.2  0.0   0:23.74 d.out
10. 14952 long      39  19 19668  516  432 S  32.8  0.0  44:52.23 b.out
11. 15803 long      39  19 19668  516  432 S  31.5  0.0   0:25.49 c.out
12. 5297 long      20   0  251m  75m  20m S  20.2  3.7  15:53.31 compiz

第五节   Linux提供的一些查看系统信息的工具

使用以下这些命令我们能够查询总的CPU使用率、单独的CPU使用率（对于对称多处理机器SMP）、从你上次启动后的平均CPU使用率等。

4.1   老当益壮的top命令

使用top命令能够动态的查看CPU使用率。它会显示当前内核管理着的任务信息。它还会显示上线时间、负载均值、物理和交换内存使用状况。使用例如以下：

           $ top

按Q键推出top。

1. long@long-Ubuntu:~$ top
2. top - 14:52:24 up  6:13,  5 users,  load average: 1.06, 1.02, 1.24
3. Tasks: 203 total,   1 running, 201 sleeping,   0 stopped,   1 zombie
4. %Cpu(s): 27.5 us,  5.9 sy,  0.0 ni, 66.2 id,  0.3 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
5. KiB Mem:   2067372 total,  1808288 used,   259084 free,    41020 buffers
6. KiB Swap:  2095100 total,    55040 used,  2040060 free,   539728 cached
7. PID USER      PR  NI  VIRT  RES  SHR S  %CPU %MEM    TIME+  COMMAND
8. 5740 long      20   0  110m  27m  14m S  15.2  1.4   3:13.91 gnome-terminal
9. 4597 root      20   0 95000  31m 4848 S  13.9  1.6  25:29.79 Xorg
10. 5297 long      20   0  246m  70m  19m S  10.3  3.5  14:09.52 compiz

4.2   使用"mpstat"命令

使用这个命令，你须要先安装sysstat工具。对于Debian或Ubuntu用户，能够通过apt-get直接安装：

            $ apt-get install sysstat

使用例如以下命令查看CPU使用率信息：

            $ mpstat

1. long@long-Ubuntu:~$ mpstat
2. Linux 3.7.1 (long-Ubuntu)   2013年03月04日     _i686_  (2 CPU)
3. 14时53分16秒  CPU    %usr   %nice    %sys %iowait    %irq   %soft  %steal  %guest   %idle
4. 14时53分16秒  all   18.91    4.92    5.15    1.00    0.00    0.04    0.00    0.00   69.99

使用例如以下命令能够监控单独的CPU使用率信息：

            $ mpstat -P ALL

1. long@long-Ubuntu:~$ mpstat -P ALL
2. Linux 3.7.1 (long-Ubuntu)   2013年03月04日     _i686_  (2 CPU)
3. 14时53分53秒  CPU    %usr   %nice    %sys %iowait    %irq   %soft  %steal  %guest   %idle
4. 14时53分53秒  all   18.91    4.91    5.15    0.99    0.00    0.04    0.00    0.00   70.01
5. 14时53分53秒    0   19.02    4.25    5.19    0.66    0.00    0.00    0.00    0.00   70.88
6. 14时53分53秒    1   18.79    5.57    5.10    1.33    0.00    0.07    0.00    0.00   69.13

4.3   使用"sar"命令

使用sar命令显示CPU使用率的语法例如以下：

            $ sar -u 2 5  （ sar [ 选项 ] [ <时间间隔> [ <次数> ] ]）

这条命令会显示2秒内的CPU使用率，总共显示5次。

1. long@long-Ubuntu:~$ sar -u 2 5
2. Linux 3.7.1 (long-Ubuntu)   2013年03月04日     _i686_  (2 CPU)
3. 14时54分22秒     CPU     %user     %nice   %system   %iowait    %steal     %idle
4. 14时54分24秒     all      5.51      0.00      1.50      1.00      0.00     91.98
5. 14时54分26秒     all      4.52      0.00      1.26      0.00      0.00     94.22
6. 14时54分28秒     all      4.02      0.00      1.76      0.00      0.00     94.22
7. 14时54分30秒     all      4.77      0.00      1.51      3.77      0.00     89.95
8. 14时54分32秒     all      3.77      0.00      1.51      0.00      0.00     94.72
9. 平均时间:     all      4.52      0.00      1.51      0.95      0.00     93.02

4.4   使用"iostat"命令

"iostat"命令能够用来查询从系统启动以来的是CPU平均使用率以及设备或者分区的I/O状况：

            $ iostat

1. long@long-Ubuntu:~$ iostat
2. Linux 3.7.1 (long-Ubuntu)   2013年03月04日     _i686_  (2 CPU)
3. avg-cpu:  %user   %nice %system %iowait  %steal   %idle
4. 18.89    4.90    5.18    0.99    0.00   70.04
5. Device:            tps    kB_read/s    kB_wrtn/s    kB_read    kB_wrtn
6. sda               6.75        67.08        58.24    1512659    1313268

4.5   GUI Tools 一些有图形界面的工具

KDE桌面环境有一些系统监控器一类的工具能够用来监控CPU使用率甚至很多其它的系统信息（比方说CPU负载状况、物理内存以及交换分区的数据占用信息）。你还能够使用它来杀死一些进程。



下表总结了若干Linux下的工具：

工具	简介
top	查看进程活动状态以及一些系统状况
vmstat	查看系统状态、硬件和系统信息等
iostat	查看CPU 负载。硬盘状况
sar	综合工具。查看系统状况
mpstat	查看多处理器状况
netstat	查看网络状况
iptraf	实时网络状况监測
tcpdump	抓取网络数据包，具体分析
mpstat	查看多处理器状况
tcptrace	数据包分析工具
netperf	网络带宽工具
dstat	综合工具，综合了 vmstat, iostat, ifstat, netstat 等多个信息

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