性能分析之 Linux 系统中 ps&top 中 CPU 百分比不一致？

一、前言

今天在 7DGroup 的群里，有人提了个问题，ps 统计出来的 CPU 百分比为什么比 top 统计出来的少很多？

问题现象

如下图：

从上面的图来加一下，确实差别比较大呀。

top 里面:

$$800 -16.9-7.6-22.1-29.9-8.8-24.4-16.9-20.3 = 653.1$$

而 ps 里面只有 300% 以下。

问题分析

什么会这样呢？

先得了解 ps 和 top 有什么区别：

• Top 是一个 monitoring tool，但 ps 是一个 snapshot tool。这是一个本质的区别。

• ps 是取当前数据的，从 /proc/pid 目录中取出来。 top 是在一直取数据，并且根据刷新周期做计算的。

• ps怎么计算CPU的呢？

  • 有几参数如下：
    • 系统启动时间： 是系统自启动以来的总时间长度。
    • 线程启动时间：线程启动的时间点。
    • 线程CPU时间：线程用CPU的时间长度。
    • 线程时间 = 系统启动时间 - 线程启动时间
    • 线程CPU使用率 = 线程CPU时间 * 1000 / 线程时间
    • 计算出的CPU使用率百分比 = 线程CPU使用率 / 10. 线程CPU使用率%10
  • 举例说明：
    • 系统启动时间： 15456374.085712
    • 线程启动时间：9470058.848042
    • 线程CPU时间：987163
    • 线程时间 = 15456374.085712 - 9470058.848042 = 5986315.23767
    • 线程CPU使用率 = 987163 * 1000 / 5986315.23767 = 164.9
    • 计算出的CPU使用率百分比 = 164.9 / 10. 164.9%10 = 16.5

• ps 计算百分比的数据取自 /proc/ 目录

  • 从/proc/pid/stat 取出如下几个时间：
    • utime：用户模式的CPU时间消耗
    • stime：内核模式的CPU时间消耗
    • cutime：用户模式的CPU时间消耗，包括子进程
    • cstime：内核模式的CPU时间消耗，包括子进程
    • starttime：线程启动时间点

• 时间消耗是通过 CPU 时间片来统计的。计算的基础就是 CPU 时间片，CPU 频率就是每秒内的 CPU 计算次数（但是单精双精浮点运算时 CPU 时间片是不一样的，这个要注意下）。

下面我们只从取出的值的结果来做计算。

如果想用 ps 像 top 一样计算一定时间周期内的 CPU 使用率，可以按如下方式计算。

[root@7dgroup 2287]# ps -p 2287 -o %cpu,cputime,etime,etimes
%CPU     TIME     ELAPSED ELAPSED
0.3 00:00:00       01:03      63

这里有两个参数，etime 和 etimes（这两个参数的 header 都是 ELAPSED），这两个参数别是：

• etime：线程自启动以来的持续时间，格式是 [DD-]hh:]mm:ss。

• etimes：线程自启动以来的持续时间，以秒为单位。

比如说，上面这个 2287 进程，在第一次取值时，如上所示。

要计算到当前时间消耗了多少 CPU ，需要再取一次数据：

[root@7dgroup 2287]# ps -p 2287 -o %cpu,cputime,etime,etimes
%CPU     TIME     ELAPSED ELAPSED
 0.3 00:00:01       04:30     270

计算一下时间：

前一次取值时：

• CPU 时间片消耗是：0。计算过程是：（003600+0060+00）

• CPU 时间窗口是63。计算过程是：1*60+3 = 63.

后一次取值时：

• CPU 时间片消耗是：1。计算过程是：003600+0060+1

• CPU 时间窗口是：270。计算过程是：4*60+30 = 270.

CPU 使用率计算是：

$$((1-0)/(270-63))*100 = 0.4$$

所以这个进程在这段时间内所用的 CPU 百分比是 0.4%。

有兴趣的也可以撸一下 ps 的源代码：

如果对 top 计算结果有异议的，也可以去撸下 top 的源码。

总结

上面逻辑了这么多，那么我们在看一个系统的资源使用率时，要看 ps 还是 top 呢？

ps 和 top 的关系如下所示：

top 是一个时间周期内的资源统计。ps 是一个个时间点的资源值。

如果要监控一个系统的整体资源使用率的话，建议用 top 来看。

如果要分析到一个具体的线程使用的 CPU 资源时，再用 ps 来看。