CPU 使用的分类

CPU 使用的分类

如果你想查看 Linux 系统的 CPU 使用的话,会用什么方法呢?最常用的肯定是运行 Top 了。我们对照下图的 Top 运行界面,在截图第三行,"%Cpu(s)"开头的这一行,你会看到一串数值,也就是"0.0 us, 0.0 sy, 0.0 ni, 99.9 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st",那么这里的每一项值都是什么含义呢?

下面这张图里最长的带箭头横轴,我们可以把它看成一个时间轴。同时,它的上半部分代表 Linux 用户态(User space),下半部分代表内核态(Kernel space)。这里为了方便你理解,我们先假设只有一个 CPU 吧。

我们可以用上面这张图,把这些值挨个解释一下。

用户程序cpu消耗

假设一个用户程序开始运行了,那么就对应着第一个"us"框,"us"是"user"的缩写,代表 Linux 的用户态 CPU Usage。普通用户程序代码中,只要不是调用系统调用(System Call),这些代码的指令消耗的 CPU 就都属于"us"。

当这个用户程序代码中调用了系统调用,比如说 read() 去读取一个文件,这时候这个用户进程就会从用户态切换到内核态。

内核态 read() 系统调用在读到真正 disk 上的文件前,就会进行一些文件系统层的操作。那么这些代码指令的消耗就属于"sy",这里就对应上面图里的第二个框。"sy"是 "system"的缩写,代表内核态 CPU 使用。

接下来,这个 read() 系统调用会向 Linux 的 Block Layer 发出一个 I/O Request,触发一个真正的磁盘读取操作。

这时候,这个进程一般会被置为 TASK_UNINTERRUPTIBLE。而 Linux 会把这段时间标示成"wa",对应图中的第三个框。"wa"是"iowait"的缩写,代表等待 I/O 的时间,这里的 I/O 是指 Disk I/O。

紧接着,当磁盘返回数据时,进程在内核态拿到数据,这里仍旧是内核态的 CPU 使用中的"sy",也就是图中的第四个框。

然后,进程再从内核态切换回用户态,在用户态得到文件数据,这里进程又回到用户态的 CPU 使用,"us",对应图中第五个框。

好,这里我们假设一下,这个用户进程在读取数据之后,没事可做就休眠了。并且我们可以进一步假设,这时在这个 CPU 上也没有其他需要运行的进程了,那么系统就会进入"id"这个步骤,也就是第六个框。"id"是"idle"的缩写,代表系统处于空闲状态。

系统cpu消耗

如果这时这台机器在网络收到一个网络数据包,网卡就会发出一个中断(interrupt)。相应地,CPU 会响应中断,然后进入中断服务程序。

这时,CPU 就会进入"hi",也就是第七个框。"hi"是"hardware irq"的缩写,代表 CPU 处理硬中断的开销。由于我们的中断服务处理需要关闭中断,所以这个硬中断的时间不能太长。

但是,发生中断后的工作是必须要完成的,如果这些工作比较耗时那怎么办呢?Linux 中有一个软中断的概念(softirq),它可以完成这些耗时比较长的工作。

你可以这样理解这个软中断,从网卡收到数据包的大部分工作,都是通过软中断来处理的。那么,CPU 就会进入到第八个框,"si"。这里"si"是"softirq"的缩写,代表 CPU 处理软中断的开销。

这里你要注意,无论是"hi"还是"si",它们的 CPU 时间都不会计入进程的 CPU 时间。这是因为本身它们在处理的时候就不属于任何一个进程。

好了,通过这个场景假设,我们介绍了大部分的 Linux CPU 使用。

不过,我们还剩两个类型的 CPU 使用没讲到,我想给你做个补充,一次性带你做个全面了解。这样以后你解决相关问题时,就不会再犹豫,这些值到底影不影响 CPU Cgroup 中的限制了。下面我给你具体讲一下。

一个是"ni",是"nice"的缩写,这里表示如果进程的 nice 值是正值(1-19),代表优先级比较低的进程运行时所占用的 CPU。

另外一个是"st","st"是"steal"的缩写,是在虚拟机里用的一个 CPU 使用类型,表示有多少时间是被同一个宿主机上的其他虚拟机抢走的。

综合前面的内容,我再用表格为你总结一下:

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