Linux内核《CPU负载计算》

前言

  在实际的产品开发中，我们往往需要关注CPU的负载，确保程序可以长久稳定的运行，并且能够充分发挥SOC的性能。Linux中提供了一些命令可以帮助我们统计这些信息，如top、uptime ，但是关于负载的计算原理我们大多时候并不是很清楚，今天就和大家一起学习了解下！

一、什么是CPU负载？

  在Linux内核中，CPU负载通常是指系统中正在使用和等待资源的进程数量，即使系统中的处理器核心没有100%的利用率。CPU负载可以帮助我们评估系统中的工作负荷，并判断是否有足够的处理资源可用。

  也可以认为，Linux 内核CPU负载是指在某个时间段内，CPU正在执行的进程数或线程数。它反映了CPU的负荷情况，在高负荷的情况下，CPU可能会变得不稳定或过热。

  在Linux系统中，CPU负载常由三个数字表示，称为负载平均值（load average）。这些值分别代表过去 1 分钟、5 分钟和 15 分钟内的平均负载。你可以使用 uptime 命令或 top 命令来查看当前的 CPU 负载。

  例如，运行 uptime 命令会输出像这样的信息：

05:40:52 up 1 day, 2 min,  1 user,  load average: 0.65, 1.21, 1.42

  其中 load average 后面的三个数字（0.65, 1.21, 1.42）表示过去的 1 分钟、5 分钟和 15 分钟内的平均负载。通常，这些数字应该尽可能接近系统的 CPU 核心数量，例如 1 表示接近满负荷，0.5 表示负载一半等等。

  请注意，负载平均值并不仅仅反映 CPU 利用率，它还包括等待其他资源的进程数量，如磁盘访问、网络请求等。因此，在解释和分析负载时，需要结合其他指标和上下文来全面评估系统的性能。

  值得一提的是，如果负载平均值持续高于系统的处理能力，那可能意味着系统存在性能问题。此时，你可以通过查看运行中的进程、分析系统使用的资源和优化配置等方式来进一步调查和解决问题。

二、如何计算CPU负载

  在Linux内核中，计算CPU负载主要是通过查看/proc/stat文件来获取系统级别的CPU使用信息。以下是一个简单的步骤来计算CPU负载：

1. 打开终端并使用任何文本编辑器打开/proc/stat文件：

   cat /proc/stat
   

   

2. 在/proc/stat文件中，找到以"cpu"开头的相关行。这些行包含了各个CPU核心的使用信息。通常，第一行对应所有CPU核心的总和，之后的行分别对应各个独立的CPU核心。

3. 读取每个核心的使用信息。每行的格式类似于：

   cpuX user nice system idle ...
   

   其中，cpuX表示CPU核心的索引，user表示用户态执行的时间，nice表示低优先级的任务执行的时间，system表示内核态执行的时间，idle表示空闲时间。

4. 计算CPU总使用时间。总使用时间可以通过将用户态、低优先级任务和内核态执行的时间相加而得到，即：

   total_time = user + nice + system
   

5. 计算CPU空闲时间。空闲时间即idle字段的数值。

6. 计算CPU负载。CPU负载可以通过以下公式计算得到：

   load = (total_time - previous_total_time) / (interval_time * num_cores) * 100
   

   其中，previous_total_time表示上一次采样的总使用时间，interval_time表示两次采样的时间间隔，num_cores表示CPU核心的数量。
     根据上述步骤，你可以编写一个脚本或程序来自动计算CPU负载。请注意，这只是一个简单的计算方法，具体的实现可能会因为系统版本和配置而有所差异。在实际应用中，你也可能会使用更高级的工具和库来获取和分析系统的CPU负载信息，例如sar、top、mpstat等。

三、计算CPU负载的一个脚本

  当我们计算Linux内核的CPU负载时，可以使用bash脚本编写一个简单的脚本来实现。下面是一个示例脚本：

#!/bin/bash

# 获取CPU核心数
num_cores=$(grep -c ^processor /proc/cpuinfo)

# 获取负载平均值
load_average=$(uptime | awk -F 'load average:' '{print $2}')

# 获取各个时间段的负载值，并将其转换为整数
load1=$(echo $load_average | awk -F ',' '{print $1*100}' | awk '{print int($1)}')
load5=$(echo $load_average | awk -F ',' '{print $2*100}' | awk '{print int($1)}')
load15=$(echo $load_average | awk -F ',' '{print $3*100}' | awk '{print int($1)}')

# 计算百分比负载
load1_percent=$(awk "BEGIN {printf \"%.2f\n\", $load1 / $num_cores}")
load5_percent=$(awk "BEGIN {printf \"%.2f\n\", $load5 /$num_cores}")
load15_percent=$(awk "BEGIN {printf \"%.2f\n\", $load15 /$num_cores}")

# 打印结果
echo "负载平均值：$load_average"
echo "过去1分钟的负载：$load1_percent%"
echo "过去5分钟的负载：$load5_percent%"
echo "过去15分钟的负载：$load15_percent%"

  将上述脚本保存为 cpu_load.sh 文件，并使用 chmod +x cpu_load.sh 命令使其可执行。然后，执行 ./cpu_load.sh 命令即可运行该脚本，显示当前的CPU负载情况。

  请注意，该脚本仅计算CPU负载，它并不包括其他系统资源的负载。在实际应用中，可能需要更多的指标和算法来评估系统的整体负载情况，并根据需要进行适当的调整和优化。

解释上述脚本中的语法，以下是涉及到的主要部分的说明：

1. `#!/bin/bash`：这是脚本的第一行，用于指定使用Bash作为脚本的解释器。

2. `$(command)`：这是命令替换的语法，它会执行括号中的命令并将其输出结果插入到脚本中。

3. `grep -c ^processor /proc/cpuinfo`：此命令使用grep来计算/proc/cpuinfo文件中
    以"processor"开头的行的数量，从而获取CPU核心数。

4. `uptime`：此命令显示系统的运行时间和当前的负载平均值。

5. `awk -F 'load average:' '{print $2}'`：这个awk命令根据"load average:"字段作为
    分隔符，提取uptime命令输出的负载平均值。

6. `echo $load_average | awk -F ',' '{print $1*100}' | awk '{print int($1)}'`：这个
    管道命令将负载平均值中的各个时间段分隔开，并将其转换为整数格式。

7. `awk "BEGIN {printf \"%.2f\n\", $load1 / $num_cores}"`：这个awk命令用于计算负载
    占用的百分比，其中`%.2f`表示输出为小数点后两位。

9. `echo`：这是一个用于打印输出的命令，用于显示计算得到的负载值。

	需要注意的是，该脚本只是一个简单的示例，对负载的计算并不完整。在实际应用中，可能需要
针对具体需求进行更详细的计算和分析。同时，此脚本依赖于`/proc/cpuinfo`和`uptime`等系统
文件和命令，因此在特定的系统环境中可能会有差异。

四、top命令详解

------------------ 主控SOC的命令结果

------------------ PC运行Ubuntu 20.04的命令结果

  top 命令是 Linux 系统中一个常用的性能监控工具，它提供了实时查看系统资源使用情况的功能。下面是 top 命令的详细说明：

1. 启动 top 命令：

   在终端中输入 `top` 命令后，系统会显示实时的系统资源使用情况。默认情况下，它会按照 CPU
使用率对进程进行排序。

2. 查看系统概述（Summary）：

   `top` 命令的顶部显示了系统的概述信息，包括运行时间、负载平均值、总体 CPU 使用率、内存
使用情况等。这些信息可以帮助你快速了解系统的整体状态。

3. 查看进程列表：

   `top` 命令默认以进程列表的形式显示当前运行的进程。每个进程都有一个独立的行，包括进程ID
（PID）、用户、CPU 使用率、内存使用情况、进程状态等信息。按下键盘上的 `Shift + M` 可以
按照内存使用率进行排序。

4. 切换排序方式：

   在 `top` 命令中，你可以按下不同的键来切换排序方式，以便更好地了解进程的性能。
   - `P`：按 CPU 使用率进行排序。
   - `M`：按内存使用率进行排序。
   - `N`：按 PID 进程 ID 进行排序。
   - `T`：按运行时间进行排序。

5. 控制进程显示：

   `top` 命令提供了一些控制选项，以便筛选和显示特定的进程。
   - `u` + 用户名：仅显示指定用户运行的进程。
   - `s`：更改进程刷新的时间间隔。
   - `k` + PID：向进程发送信号以终止或关闭进程。
   - `H`：显示线程而不是进程。

6. 查看全局信息：

   在 `top` 命令运行时，你可以按下不同的键来查看特定资源的全局信息。
   - `1`：显示每个 CPU 核心的使用情况。
   - `l`：切换显示进程或线程所使用 CPU 的模式。
   - `t`：查看任务和 CPU 相关的细节。
   - `m`：查看内存总结。
   - `f`：添加或删除要显示的字段。

  top 命令提供了更多的选项和功能，可以根据你的需求进一步探索。输入 man top 命令可以查看其详细的手册页，其中包含了所有支持的选项和用法。

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