Linux系统中CPU使用率概念与计算方法

CPU使用率

CPU使用率定义：
CPU 使用率是单位时间内 CPU 使用情况的统计，以百分比的方式展示。CPU 使用率是最常用来描述系统CPU 性能的指标。

Linux 作为一个多任务操作系统，将每个 CPU 的时间划分为很短的时间片，再通过调度器轮流分配给各个任务使用，因此造成多任务同时运行的错觉。

节拍率

为了维护 CPU 时间，Linux 通过事先定义的节拍率（内核中表示为 HZ），触发时间中断，并使用全局变量 Jiffies 记录了开机以来的节拍数。每发生一次时间中断，Jiffies 的值就加 1。节拍率 HZ 是内核的可配选项，可以设置为 100、250、1000 等。不同的系统可能设置不同数值，你可以通过查询 /boot/config 内核选项来查看它的配置值，指令如下：

grep 'CONFIG_HZ=' /boot/config-$(uname -r)

说明我这台设备的节拍率就是250

节拍率 HZ 是内核选项，所以用户空间程序并不能直接访问。为了方便用户空间程序，内核还提供了一个用户空间节拍率 USER_HZ，它总是固定为 100，也就是 1/100 秒。这样，用户空间程序并不需要关心内核中 HZ 被设置成了多少，因为它看到的总是固定值 USER_HZ。

Linux 通过 /proc 虚拟文件系统，向用户空间提供了系统内部状态的信息，而 /proc/stat 提供的就是系统的 CPU 和任务统计信息。比方说，如果只关注 CPU 的话，可以执行下面的命令：

cat /proc/stat | grep ^cpu

$ cat /proc/stat | grep ^cpu
cpu 1136726 11458 386672 122678171 33738 0 22252 0 0 0
cpu0 150119 2341 46520 15330747 4948 0 3514 0 0 0
cpu1 150017 1124 45522 15330782 4033 0 3277 0 0 0
cpu2 144932 1699 46762 15335522 4385 0 2672 0 0 0
cpu3 146514 1114 46084 15336170 4397 0 2386 0 0 0
cpu4 136283 1572 53869 15323060 3910 0 3477 0 0 0
cpu5 132364 805 51830 15336044 3996 0 3637 0 0 0
cpu6 138573 1102 48318 15342556 3782 0 1672 0 0 0
cpu7 137922 1699 47762 15343287 4283 0 1614 0 0 0

这里的输出结果是一个表格。其中，第一列表示的是 CPU 编号，如 cpu0、cpu1 ，而第一行没有编号的 cpu ，表示的是所有 CPU 的累加。
其他列则表示不同场景下 CPU 的累加节拍数，它的单位是 USER_HZ，也就是 10 ms（1/100 秒），所以这其实就是不同场景下的 CPU 时间。

从左到右有10个数字，下面是其对应的含义：

• user（通常缩写为 us），代表用户态 CPU 时间。注意，它不包括下面的 nice 时间，但包括了 guest 时间。
• nice（通常缩写为 ni），代表低优先级用户态 CPU 时间，也就是进程的 nice 值被调整为 1-19 之间时的 CPU 时间。这里注意，nice 可取值范围是 -20 到 19，数值越大，优先级反而越低。
• system（通常缩写为 sys），代表内核态 CPU 时间。
• idle（通常缩写为 id），代表空闲时间。注意，它不包括等待 I/O 的时间（iowait）。
• iowait（通常缩写为 wa），代表等待 I/O 的 CPU 时间。
• irq（通常缩写为 hi），代表处理硬中断的 CPU 时间。
• softirq（通常缩写为 si），代表处理软中断的 CPU 时间。
• steal（通常缩写为 st），代表当系统运行在虚拟机中的时候，被其他虚拟机占用的 CPU 时间。
• guest（通常缩写为 guest），代表通过虚拟化运行其他操作系统的时间，也就是运行虚拟机的 CPU 时间。
• guest_nice（通常缩写为 gnice），代表以低优先级运行虚拟机的时间。

系统CPU使用率计算

通常所说的 CPU 使用率，就是除了空闲时间外的其他时间占总 CPU 时间的百分比，用公式来表示就是：
$$CPU使用率=1?\frac{空闲时间}{总CPU时间}$$

根据这个公式，就可以从 /proc/stat 中的数据，很容易地计算出 CPU 使用率。当然，也可以用每一个场景的 CPU 时间，除以总的 CPU 时间，计算出每个场景的 CPU 使用率。

直接用 /proc/stat 的数据，算的是开机以来的节拍数累加值，所以直接算出来的，是开机以来的平均 CPU 使用率

为了计算 CPU 使用率，性能工具一般都会取间隔一段时间（比如 3 秒）的两次值，作差后，再计算出这段时间内的平均 CPU 使用率，公式如下
$$平均CPU使用率=1?\frac{空闲时{间}_{new}?空闲时{间}_{old}}{总CPU时{间}_{new}?总CPU时{间}_{old}}$$

这个公式，就是各种性能工具所看到的 CPU 使用率的实际计算方法。