linux的Top学习

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https://www.cnblogs.com/liulianzhen99/articles/17638178.html

TOP

问题 1：top 输出的利用率信息是如何计算出来的，它精确吗？

• top 命令访问 /proc/stat 获取各项 cpu 利用率使用值
• 内核调用 stat_open 函数来处理对 /proc/stat 的访问
• 内核访问的数据来源于 kernel_cpustat 数组，并汇总
• 打印输出给用户态

strace 跟踪 top 命令的系统调用

# strace top
...
openat(AT_FDCWD, "/proc/stat", O_RDONLY) = 4
openat(AT_FDCWD, "/proc/2351514/stat", O_RDONLY) = 8
openat(AT_FDCWD, "/proc/2393539/stat", O_RDONLY) = 8
...

除了 /proc/stat 外，还有各个进程细分的 /proc/{pid}/stat，是用来计算各个进程的 cpu 利用率时使用。

proc/stat伪文件

内核为各个伪文件都定义了处理函数，/proc/stat 文件的处理方法是 proc_stat_operations

//file:fs/proc/stat.c
static int __init proc_stat_init(void)
{
 proc_create("stat", 0, NULL, &proc_stat_operations);
 return 0;
}

static const struct file_operations proc_stat_operations = {
 .open  = stat_open,
 ...
};

proc_stat_operations 中包含了操作该文件时对应的操作方法，当打开 /proc/stat 文件时，stat_open 就会被调用
stat_open 依次调用 single_open_size->show_stat 来输出数据内容：

//file:fs/proc/stat.c
static int show_stat(struct seq_file *p, void *v)
{
 u64 user, nice, system, idle, iowait, irq, softirq, steal;

 for_each_possible_cpu(i) {
  struct kernel_cpustat *kcs = &kcpustat_cpu(i);

  user += kcs->cpustat[CPUTIME_USER];
  nice += kcs->cpustat[CPUTIME_NICE];
  system += kcs->cpustat[CPUTIME_SYSTEM];
  idle += get_idle_time(kcs, i);
  iowait += get_iowait_time(kcs, i);
  irq += kcs->cpustat[CPUTIME_IRQ];
  softirq += kcs->cpustat[CPUTIME_SOFTIRQ];
  ...
 }

 //转换成节拍数并打印出来
 seq_put_decimal_ull(p, "cpu  ", nsec_to_clock_t(user));
 seq_put_decimal_ull(p, " ", nsec_to_clock_t(nice));
 seq_put_decimal_ull(p, " ", nsec_to_clock_t(system));
 seq_put_decimal_ull(p, " ", nsec_to_clock_t(idle));
 seq_put_decimal_ull(p, " ", nsec_to_clock_t(iowait));
 seq_put_decimal_ull(p, " ", nsec_to_clock_t(irq));
 seq_put_decimal_ull(p, " ", nsec_to_clock_t(softirq));
 ...
}

for_each_possible_cpu 是在遍历存储着 cpu 使用率数据的 kcpustat_cpu 变量
该变量是一个 percpu 变量，它为每一个逻辑核都准备了一个数组元素
里面存储着当前核所对应各种事件，包括 user、nice、system、idel、iowait、irq、softirq 等

在这个循环中，将每一个核的每种使用率都加起来，最后通过 seq_put_decimal_ull 将这些数据输出

注意
在内核中实际每个时间记录的是纳秒数，但是在输出时统一转化成节拍单位
/proc/stat 的输出是从 kernel_cpustat 这个 percpu 变量中读取出来

统计数据怎么来的

内核是以采样的方式来统计 cpu 使用率，这个采样周期依赖的是 Linux 时间子系统中的定时器：

Linux 内核每隔固定周期会发出 timer interrupt (IRQ 0)，这有点像乐谱中的节拍。
每隔一段时间，就打出一个拍子，Linux 响应并处理一些事情。

一个节拍的长度是多长时间，是通过 CONFIG_HZ 来定义。它定义的方式是每一秒有几次 timer interrupts。
不同的系统中这个节拍的大小可能不同，通常在 1 ms 到 10 ms 之间。
每次当时间中断到来时，调用 update_process_times 来更新系统时间，更新后的时间存储在 percpu 变量 kcpustat_cpu 中。

问题 2：ni 这一列是 nice，它输出的是 cpu 在处理啥时的开销？

问题 3：wa 代表的是 io wait，那么这段时间中 cpu 到底是忙碌还是空闲？

CPU的idle和iowait的区别

idle 状态：
表示 CPU 处于空闲状态，即没有任何任务正在被执行
这意味着 CPU 此时没有工作可做，可以随时接受新的任务分配
例如，当系统处于待机状态，用户没有进行操作，且后台也没有运行任务时，CPU 可能处于 idle 状态

iowait 状态：
指 CPU 等待 I/O 操作完成所花费的时间
当系统正在进行磁盘读写、网络通信等 I/O 操作时，如果这些操作还未完成，CPU 就会处于 iowait 状态
比如，当从硬盘读取大量数据或者向网络发送大量数据时，可能会导致 CPU 进入 iowait 状态

总结：
idle 是 CPU 真正的空闲，没有任务需要处理
iowait 是 CPU 因为等待 I/O 操作而暂时无法执行计算任务

过高的 idle 可能表示系统资源未被充分利用
过高的 iowait 可能暗示 I/O 子系统存在性能瓶颈，需要优化 I/O 设备或相关的操作流程
如果一个数据库服务器经常出现高 iowait，可能需要考虑升级存储设备、优化数据库的读写操作、增加缓存，来减少 I/O 操作次数

update_process_times 简介

普通定时器： arch_timer_handler_phys->tick_handle_periodic->update_process_times
高精度定时器： tick_sched_handle->update_process_times

linux 进程可以同时执行，是因为采用时间片轮转方案。

每个进程都会分得相应的时间片，当前进程时间片用完，CPU就会停止执行当前进程，选择其他合适进程。

什么时候判断当前进程的时间片是否用完？
依赖于系统timer，timer周期性产生时钟中断，在中断处理函数中，会更新当前进程时间等统计信息
并判断当前进程的时间片是否用完，是否需要切换到其他进程执行。
这个工作由update_process_times函数来实现。

（引入采用周期的概念，定时每 1 毫秒采样一次。如果采样的瞬时，cpu 在运行，就将这 1 ms 记录为使用，这时会得出一个瞬时的 cpu 使用率，把它都存起来。当统计 3 秒内的 cpu 使用率时，比如 t1 ～ t2 这段时间范围。那就把这段时间内所有瞬时值全加，取个平均值，统计相对准确，避免瞬时值剧烈震荡且粒度过粗问题了）

update_process_times函数不会做实际的进程切换动作，只会设置是否需要做进程切换的标记，真正的切换在schedule函数中实现。

linux每个时钟中断（又称tick中断）处理中都会更新进程时间，即update_process_times。

void update_process_times(int user_tick)
{
   struct task_struct *p=current;
   
   /* 找到多核中的cpu id */
   int cpu = smp_processor_id();
   
   /* 
   // user_tick 根据 cpu 模式判断是用户态还是内核态
   // 
   // linux统计时间的方式：
   // 1 基于整个cpu的统计
   // user_tick 表示 cpu 在用户态、内核态、中断状态
   // 此处把一个 tick 的时间累加到 kstat_cpu(i).cpustat.xx
   // /proc/stat的统计值是在此处统计的
   // 表示cpu在用户态、内核态中断中各占用多少时间
   // 对应 stat.c(fs/proc):static int __init proc_stat_init(void)
   // 
   // 2 基于进程的统计
   // linux还有一种统计时间的方法更细化
   // 统计的是调度实体上的时间 sum_exec_runtime
   // 它在 sched_clock_cpu 函数中基于 timer 计算
   // /proc/pid/stat、/proc/pid/task/tid/stat 中的时间是在此处统计
   // 它统计了一个进程/线程占用 cpu 的时间，对应 do_task_stat 实现
  */
  account_process_tick(p, user_tick);
  
  /*
   // 此处负责系统中的定时器到期操作，并未真正处理，只是实现 raise_softirq(TIMER_SOFTIRQ)
   // 当这个 tick 中断退出 irq_exit 时，会处理 TIMER_SOFTIRQ 软中断
   // TIMER_SOFTIRQ 软中断处理函数 run_timer_softirq() 负责处理到期的定时器
  */
  run_locl_timers();
  
  /* 与进程和调度用过的时间参数 */
  scheduler_tick();
}

根据 Tick 产生是在用户态/内核态，以及idle进程的上下文等信息，选择不同函数进行处理
这里是把 TICK_NSEC ，也就是每 Tick 对应的 ns 加到对应的 cpustat 数组中
即 cpustat 数组中的数据，虽然是 ns 级，但精度是按照 Tick 的频率而定，不算准确

//file:kernel/sched/cputime.c
void account_process_tick(struct task_struct *p, int user_tick)
{
	 cputime = TICK_NSEC;
	 ...
	
	 if (user_tick)
	  //3.1 统计用户态时间
	  account_user_time(p, cputime);
	 else if ((p != rq->idle) || (irq_count() != HARDIRQ_OFFSET))
	  //3.2 统计内核态时间
	  account_system_time(p, HARDIRQ_OFFSET, cputime);
	 else
	  //3.3 统计空闲时间
	  account_idle_time(cputime);
}

首先设置 cputime = TICK_NSEC
一个 TICK_NSEC 的定义是一个节拍所占的纳秒数。
接下来根据判断结果分别执行 account_user_time、account_system_time 和 account_idle_time 来统计用户态、内核态和空闲时间

用户态时间统计

//file:kernel/sched/cputime.c
void account_user_time(struct task_struct *p, u64 cputime)
{
	//分两种种情况统计用户态 CPU 的使用情况
	int index;
	index = (task_nice(p) > 0) ? CPUTIME_NICE : CPUTIME_USER;
	
	//将时间累积到 /proc/stat 中
	task_group_account_field(p, index, cputime);
	......
}

account_user_time 函数主要分两种情况统计：

• 如果进程的 nice 值大于 0，那么将会增加到 CPU 统计结构的 nice 字段中
• 如果进程的 nice 值小于等于 0，那么增加到 CPU 统计结构的 user 字段中

其实用户态的时间不只是 user 字段，nice 也是
之所以要把 nice 分出来，是为了让 Linux 用户更一目了然地看到调过 nice 的进程所占的 cpu 周期有多少
如果想要观察系统的用户态消耗的时间，应将 top 中输出的 user + nice ，不是只看 user

接着调用 task_group_account_field 来把时间加到前面提到的 kernel_cpustat 内核变量中。

//file:kernel/sched/cputime.c
static inline void task_group_account_field(struct task_struct *p, int index, u64 tmp)
{
	__this_cpu_add(kernel_cpustat.cpustat[index], tmp);
 	...
}

内核态时间统计

//file:kernel/sched/cputime.c
void account_system_time(struct task_struct *p, int hardirq_offset, u64 cputime)
{
	if (hardirq_count() - hardirq_offset)
		index = CPUTIME_IRQ;
	else if (in_serving_softirq())
		index = CPUTIME_SOFTIRQ;
	else
		index = CPUTIME_SYSTEM;
	
	account_system_index_time(p, cputime, index);
}

内核态的时间主要分 3 种情况进行统计

• 如果当前处于硬中断执行上下文，那么统计到 irq 字段中
• 如果当前处于软中断执行上下文，那么统计到 softirq 字段中
• 否则统计到 system 字段中

判断好要加到哪个统计项中后，依次调用 account_system_index_time、task_group_account_field
来将这段时间加到内核变量 kernel_cpustat 中

空闲时间的累积

在内核变量 kernel_cpustat 中不仅仅是统计了各种用户态、内核态的使用统计，空闲也一并统计起来。
如果在采样的瞬间，cpu 既不在内核态也不在用户态的话，就将当前节拍的时间都累加到 idle 中。

//file:kernel/sched/cputime.c
void account_idle_time(u64 cputime)
{
	u64 *cpustat = kcpustat_this_cpu->cpustat;
	struct rq *rq = this_rq();
	
	if (atomic_read(&rq->nr_iowait) > 0)
		cpustat[CPUTIME_IOWAIT] += cputime;
	else
		cpustat[CPUTIME_IDLE] += cputime;
}

在 cpu 空闲的情况下，进一步判断当前是不是在等待 IO（例如磁盘 IO）：

• 是的话，这段空闲时间会加到 iowait 中
• 否则，加到 idle 中

iowait 其实是 cpu 的空闲时间，只不过是在等待 IO 完成而已
io wait 其实是 cpu 在空闲状态的一项统计，只不过这种状态和 idle 的区别是 cpu 是因为等待 io 而空闲

总结

实际查看一下服务器的 cpu 利用率的demo
https://github.com/yanfeizhang/coder-kung-fu/blob/main/tests/cpu/test06/cpu_stat.sh

TOP 中输出的 cpu 时间项目其实大致可以分为三类：
第一类：用户态消耗时间，包括 user 和 nice；如果想看用户态的消耗，要将 user 和 nice 加起来
第二类：内核态消耗时间，包括 irq、softirq 和 system
第三类：空闲时间，包括 io_wait 和 idle；其中 io_wait 也是 cpu 的空闲状态，只不过是在等 io 完成而已；如果只是想看 cpu 到底有多闲，应该把 io_wait 和 idle 加起来。

其他

当前程序使用的堆栈一个是内核堆栈，一个是用户态堆栈
普通的内核态可以视为是系统调用进入
是否在 hardirq 环境以及 softirq 环境，可以通过 preempt_count（thread_info 的一个成员）进行判断
idle状态，只需要判断当前进程是否是idle进程就可以
iowait ：在 idle 进程上下文，但 rq->nr_iowait 仍大于 0 的情况