Posted on 2020/09/25

Linux 系统并未提供直接获取CPU 利用率的接口，一些应用程序通过访问/proc 文件系统中系统的状态统计从而计算得到CPU利用率。常用查看进程及其相关信息的top 命令和htop 命令即属于这一类。

本文简单介绍如何利用/proc/stat 文件计算CPU 利用率，这种经典方法在top 和htop 工具中也被采用，在StackOverflow 也有说明；接着，将上面经典方法获取的CPU 利用率和一种极端情况下的单核单任务的CPU占用率进行比较，单核单任务指的是，在隔离的单独CPU 和核心上只运行该程序（如果你对这有疑问，可以参考下core affinity 、core isolation 和non irqbalance）。

看下图htop 工具的截图：该系统有8个CPU核心，每个核心的CPU利用率位于图上方横向柱状图。8个核心中1-7都是被隔离的，1/3/4/5/6/7每个核心都分配了一个名称为grt_simple_conc_ispc 的线程，每个线程CPU 占用率（CPU%）位于图下方第5 列，可以看出CPU利用率（上方）和每个程序占CPU利用率（下方）结果是有差异的。

方法一

一种最直接计算程序占用CPU 使用率的计算方法是，采样N 次，如果有R 次该程序正在执行，则其占用CPU使用率为 R/N × 100%。

Linux 在/proc/{pid}/stat 文件中记录进程ID 为pid 的进程统计信息（按照类别分为几十个字段，详见 https://man7.org/linux/man-pages/man5/proc.5.html ）。如果进程状态字符是R ，则表示进程正在运行（Running），如果状态字符是S ，则表示进程正在睡眠（Sleeping）。

将该方法作为CPU 利用率的前提是：该CPU 核心只运行该进程，尽量少地被中断。

计算CPU 利用率经典方法（方法二）

工具（如top 和htop）定时采样读取/proc/stat 文件内容，该文件记录了每个CPU核心所处不同状态的累计时间，再通过以下公式可计算得到指定核心CPU利用率：

previdle   = previdle + previowait
idle     = idle + iowait
prevnoidle  = prevuser + prevnice + prevsystem + previrq + prevsoftirq + prevsteal
noidle    = user + nice + system + irq + softirq + steal
prevtotal   = previdle + prevnonidle
total     = idle + nonidle
total_delta  = total - prevtotal
idle_delta  = idle - previdle
CPU_usage    = (total_delta - idle_delta)/total_delta

    以prev开头的变量是上一次采用数据，否则是当前采样数据，通过计算两次采样之间的CPU空闲时间（idle_delta）和总计时间（total_delta）得到CPU利用率，这是procs/top 工具默认使用的方法，也是最常见CPU利用率统计方法。

方法三

方法和约束情况类似于方法一，周期性读取/proc/{pid}/stat文件，获取进程用户态时间utime 和核态时间stime，按照如下公式计算CPU利用率

    CPU_usage = （utime+stime)/sample_interval

其中，utime和stime代表进程用户态时间和核态时间，sample_interval是采样间隔。

下面是负载由轻到高，三种方法得到的CPU 利用率：

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