0. 为什么写这篇博客

Linux的top或者ps都可以查看进程的cpu利用率，那为什么还需要了解这个细节呢。编写这篇文章呢有如下三个原因：

* 希望在脚本中，能够以过”非阻塞”的方式获取进程cpu利用率
* ps无法获得进程当前时刻的CPU利用率;top则需要至少1秒才能获得进程当前的利用率
* * 好奇

1. 如何统计进程CPU利用率

1.0 概述

在Linux的/proc文件系统，可以看到自启动时候开始，所有CPU消耗的时间片；对于个进程，也可以看到进程消耗的时间片。这是一个累计值，可以”非阻塞”的输出。获得一定时间间隔的两次统计就可以计算出这段时间内的进程CPU利用率。

所以，是否存在一种简单的，非阻塞的方式获得进程的CPU利用率? 答案是：“没有”。这里给出来一个有趣的比喻：”这就像有人给你一张照片，要你回答照片中车子的速度一样”

1.1 /proc/stat 统计总CPU消耗

这个概念在计算中并不重要，但是了解一下还是有益的。在/proc/[pid/]stat中我们可以看到系统统计的CPU时间消耗，这里都统一使用1/USER_HZ为一个时间片(man proc)，多数情况下USER_HZ都是取值100，所以这里的一个时间片就是10ms。可以通过系统调用sysconf(_SC_CLK_TCK)来获得准确USER_HZ的取值。

例如:

# cat /proc/stat|grep "cpu "
cpu  77918485 720414 61184026 19052884316 12152363 1386 1476742 0 0

每一列对应的CPU消耗含义是(man proc)：用户态(user)、低优先级用户态(nice)、系统(sys)、闲置、IOWAIT(内核2.5.41+)、中断(since 2.6.0+)、软终端(since 2.6.0+)、steal(虚拟环境中其他OS消耗2.6.11+)、guest(为访客OS运行虚拟CPU消耗2.6.24)

对应如下：

# cat /proc/stat|grep "cpu "
     |usr      |nice   |sys      |idle        |iowait   |irq   |softirq |steal  |guest
cpu  |77918485 |720414 |61184026 |19052884316 |12152363 |1386  |1476742 |0      |0

所以，计算CPU总消耗可以使用如下shell命令：

cat /proc/stat|grep "cpu "|awk '{for(i=2;i<=NF;i++)j+=$i;print "cpu_total_slice " j;}'
cpu_total_slice 19208187744

很多地方看到都只是统计前面四列或者五列，这是不完整的；不过，因为通常前四、五列是CPU的主要消耗，所以这样如此计算也通常是准确的。例如，上例中，前面五列的消耗是CPU消耗的99.99%。

(tips：这里的时间片和CPU时钟中断的jiffy不是一个概念，一个是内核态的，一个用户态的)

1.2 进程消耗的CPU时间片

在proc文件系统中，可以通过/proc/[pid]/stat获得进程消耗的时间片，输出的第14、15、16、17列分别对应进程用户态CPU消耗、内核态的消耗、用户态等待子进程的消耗、内核态等待子进程的消耗(man proc)。所以进程的CPU消耗可以使用如下命令：

cat /proc/9583/stat|awk '{print "cpu_process_total_slice " $14+$15+$16+$17}'
cpu_process_total_slice 1068099

tips：从这里可以看到，Linux并没有进程级别的iowait统计，如果想知道系统的iowait是哪个进程导致，则还需要一些其他的工具辅助。

1.3 “非阻塞”的计算进程CPU利用率

从这里也看到，是没有某个时刻CPU利用率的说法的，也就没法获得某个时刻的CPU利用率。这就像物理中的”速度”的概念，没有某一时刻速度的概念，速度一定是一个时间段之内的。那么要”非阻塞”计算某个进程CPU利用率，则需要取两次事件间隔进行计算，这两次事件间隔的操作可以是非阻塞的。计算办法如下：

* 时刻A，计算操作系统总CPU时间片消耗total_cpu_slice_A；计算进程总CPU时间片消耗；total_process_slice_A
* 时刻B，计算操作系统总CPU时间片消耗total_cpu_slice_B；计算进程总CPU时间片消耗；total_process_slice_B

B时刻就可以”非阻塞”的计算这段时间进程的CPU利用率了：

100%*(total_process_slice_B-total_process_slice_A)/(total_cpu_slice_B-total_cpu_slice_A)

1.4 ps命令显示的CPU利用率是什么意思

man ps
......
       CPU usage is currently expressed as the percentage of time spent running during the entire lifetime of a process. This is
       not ideal, and it does not conform to the standards that ps otherwise conforms to. CPU usage is unlikely to add up to
       exactly 100%.
......

可以看到，ps命令%CPU显示的是进程自启动时刻起，直至当前的总平均CPU利用率。

2 参考文档

* man proc / man ps

* Accurately Calculating CPU Utilization in Linux using /proc/stat@stackoverflow

* account_process_tick@Linux Kernel

* Troubleshooting High I/O Wait in Linux

* Top and ps not showing the same cpu result

博客的草稿箱里面虽然有好几篇稿子了，不过距离上一篇博客好像都有100天了，写完这一篇还是很欣慰，虽然内容不多。