如何計(jì)算 CPU 占用率？
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)吮旅，進(jìn)程的 CPU 占用率指的是 CPU 有多少時(shí)間花費(fèi)在了運(yùn)行進(jìn)程上征候。在 Linux 系統(tǒng)里寞酿，進(jìn)程運(yùn)行的時(shí)間是以jiffies[1]統(tǒng)計(jì)的匠襟，通過(guò)計(jì)算jiffies * HZ钝侠，就可以得到進(jìn)程消耗的 CPU 時(shí)間该园，再除以 CPU 的總時(shí)間，就可以得到進(jìn)程的 CPU 占用率：jiffies * HZ / total_time机错。
ps 和 top 的不同之處
ps和top是最常用的兩種查看 CPU 占用的方式爬范，都可以用來(lái)快速找到當(dāng)前 CPU 占用率高的進(jìn)程。但實(shí)際上這兩個(gè)工具的統(tǒng)計(jì)方式是完全不同的弱匪。
我們用下面這個(gè)簡(jiǎn)單的 Go 程序來(lái)測(cè)試這兩個(gè)工具的差別：
package main
import (
"bytes"
"fmt"
"strconv"
"sync"
"time"
)
var testData = []byte(`testdata`)
func testBuffer(idx int) {
m := map[string]*bytes.Buffer{}
for i := 0; i < 100; i += 1 {
buf, ok := m[strconv.Itoa(i)]
if !ok {
buf = new(bytes.Buffer)
}
for j := 0; j < 1024; j += 1 {
buf.Write(testData)
}
m[strconv.Itoa(i)] = buf
}
fmt.Println("done, ", idx)
wg.Done()
}
var wg sync.WaitGroup
func main() {
for i := 0; i < 10; i += 1 {
wg.Add(1)
j := i
go testBuffer(j)
}
wg.Wait()
fmt.Println("sleeping")
time.Sleep(time.Hour)
}
然后我們運(yùn)行這個(gè)程序，通過(guò)top和ps aux分別查看進(jìn)程的 CPU 占用情況璧亮。
top -n 1:
PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND
39753 infini 20 0 14.663g 0.014t 1200 S 611.1 22.2 0:23.53 test-cpu
ps aux:
USER PID %CPU %MEM VSZ RSS TTY STAT START TIME COMMAND
infini 39881 767 39.1 26505284 25791892 pts/16 Sl+ 07:04 0:38 ./test-cpu
可以看到萧诫，ps和top統(tǒng)計(jì)的 CPU 占用率是近似的（由于時(shí)間點(diǎn)并不完全吻合，統(tǒng)計(jì)值也會(huì)有輕微差別）枝嘶。兩個(gè)工具的差異體現(xiàn)在testBuffer結(jié)束后帘饶，top統(tǒng)計(jì)的 CPU 占用率已經(jīng)接近于 0，但是ps依然統(tǒng)計(jì)到很高的 CPU 占用率：
USER PID %CPU %MEM VSZ RSS TTY STAT START TIME COMMAND
infini 39881 82.3 42.4 28638148 27953532 pts/16 Sl+ 07:04 0:40 ./test-cpu
為什么 ps 和 top 的統(tǒng)計(jì)值會(huì)有差異群扶？
這兩個(gè)工具的差異來(lái)自于各自運(yùn)行方式的不同：top 只能持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間及刻，而 ps 是立刻返回的。這個(gè)差異體現(xiàn)在運(yùn)行top -n 1和ps aux時(shí)竞阐，top是延遲后返回的缴饭，而ps是立刻返回的。這兩種不同的運(yùn)行方式就會(huì)反映在兩個(gè)工具的統(tǒng)計(jì)算法上骆莹。
文章開(kāi)頭我們提到颗搂，Linux 的 CPU 時(shí)間是按照jiffies統(tǒng)計(jì)的，考慮到效率問(wèn)題幕垦，Linux 只會(huì)統(tǒng)計(jì)總值丢氢，不會(huì)記錄歷史數(shù)據(jù)。對(duì)于 ps 來(lái)說(shuō)先改，由于只能統(tǒng)計(jì)到瞬時(shí)值疚察，這個(gè)瞬時(shí)值的統(tǒng)計(jì)算法就必然拿不到實(shí)時(shí)的 CPU 占用率，因?yàn)閷?shí)時(shí)的占用率需要通過(guò) (current_cpu_time - last_cpu_time) / time_duration來(lái)得到仇奶，ps 只能統(tǒng)計(jì)一次貌嫡，所以time_duration為0，也就無(wú)法計(jì)算這個(gè)占用率猜嘱。實(shí)際上衅枫，ps 統(tǒng)計(jì)的是整個(gè)進(jìn)程運(yùn)行周期內(nèi)的 CPU 占用率[2]：
(total_cpu_time / total_process_uptime)
對(duì)于測(cè)試程序這種短時(shí)間的占用率上升，剛開(kāi)始的時(shí)候 ps 能夠統(tǒng)計(jì)到近似準(zhǔn)確的平均 CPU 占用率朗伶，但是 cpu 占用恢復(fù)后弦撩，ps 的統(tǒng)計(jì)值并不會(huì)立刻下降，而是會(huì)隨著進(jìn)程運(yùn)行時(shí)間total_process_uptime的增加緩慢下降论皆。
top 命令不同益楼， top 是通過(guò)持續(xù)運(yùn)行來(lái)更新 CPU 占用率統(tǒng)計(jì)的猾漫。-n 1這個(gè)參數(shù)指定 top 運(yùn)行一個(gè)迭代后退出，top命令就可以通過(guò)這個(gè)延遲來(lái)可以完成一個(gè)迭代內(nèi)的 CPU 占用率統(tǒng)計(jì)：
(current_cpu_time - last_cpu_time) / iteration_duration
如何持續(xù)監(jiān)控 CPU 占用率感凤？
通常來(lái)說(shuō)悯周，監(jiān)控系統(tǒng)分為采集和統(tǒng)計(jì)兩個(gè)不同的組件，采集組件只會(huì)采集指標(biāo)數(shù)值陪竿，統(tǒng)計(jì)功能通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)/Dashboard 來(lái)實(shí)現(xiàn)禽翼。要監(jiān)控 CPU 占用率，ps是一個(gè)非常符合采集組件行為的統(tǒng)計(jì)方式族跛，每次采集都可以拿到“當(dāng)前”的 CPU 占用率闰挡。但是受限于算法本身的統(tǒng)計(jì)方式，我們實(shí)際采集到的是平均 CPU 占用率礁哄，無(wú)法反映進(jìn)程的實(shí)時(shí)狀態(tài)长酗。
以 INFINI Console為例，我們運(yùn)行一個(gè)短時(shí)間的數(shù)據(jù)遷移任務(wù)負(fù)載桐绒，然后查看對(duì)應(yīng) INFINI 網(wǎng)關(guān)實(shí)例的 CPU 占用監(jiān)控（payload.instance.system.cpu夺脾，通過(guò)ps方式統(tǒng)計(jì)當(dāng)前 CPU 占用率）≤约蹋可以看到咧叭，CPU 占用率會(huì)以一個(gè)曲線上升，在任務(wù)結(jié)束后會(huì)緩慢下降：
如果想持續(xù)監(jiān)控實(shí)時(shí) CPU 占用率馒疹，我們就需要借鑒top的統(tǒng)計(jì)方式佳簸，采集原始的進(jìn)程 CPU 時(shí)間，進(jìn)而通過(guò)聚合數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算 CPU 占用率颖变。
在 Linux 系統(tǒng)下生均，ps和top命令都會(huì)通過(guò)/proc/[PID]/stat提供的信息來(lái)計(jì)算 CPU 占用率[2]：
## Name Description
14 utime CPU time spent in user code, measured in jiffies
15 stime CPU time spent in kernel code, measured in jiffies
16 cutime CPU time spent in user code, including time from children
17 cstime CPU time spent in kernel code, including time from children
獲取到每個(gè)采樣時(shí)間的進(jìn)程信息后，我們就可以通過(guò)這個(gè)公式來(lái)計(jì)算采樣周期內(nèi)的 CPU 占用率：
delta(cpu_time) / delta(timestamp)
在 INFINI Console腥刹，我們可以通過(guò)deriative函數(shù)來(lái)計(jì)算payload.instance.system.user_in_ms和payload.instance.system.sys_in_ms相對(duì)于timestamp的占比马胧，進(jìn)而得到準(zhǔn)確的 CPU 占用率統(tǒng)計(jì)。
這樣衔峰，我們就可以統(tǒng)計(jì)到網(wǎng)關(guān)在運(yùn)行任務(wù)負(fù)載前后的實(shí)時(shí) CPU 占用率：
總結(jié)
雖然top和ps都可以統(tǒng)計(jì) CPU 占用率佩脊，但統(tǒng)計(jì)算法卻完全不同。了解這兩種算法的底層原理之后垫卤，我們就可以設(shè)計(jì)出適合監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方式威彰，采集到準(zhǔn)確的 CPU 占用率。
