cpu 使用率是怎么回事呢？

寨重 · 2025-8-5 05:23:50

前言

简单介绍一下cpu的使用率是怎么来的。
正文

cpu 使用大概有这几方面:

public class CpuTimeBreakdown
{
// 1. 用户时间 (User Time)
// - 应用程序在用户态执行的时间
// - 包括：业务逻辑、算法计算、数据处理
public long UserTime { get; set; }
// 2. 系统时间 (System Time)
// - 应用程序在内核态执行的时间
// - 包括：系统调用、内存管理、进程调度
public long SystemTime { get; set; }
// 3. 空闲时间 (Idle Time)
// - CPU真正空闲的时间
// - 包括：HALT指令、节能模式、等待中断
public long IdleTime { get; set; }
// 4. I/O等待时间 (I/O Wait Time)
// - CPU等待I/O设备的时间
// - 包括：磁盘I/O、网络I/O、设备I/O
public long IoWaitTime { get; set; }
// 5. 中断时间 (IRQ Time)
// - 处理硬件中断的时间
// - 包括：网络中断、磁盘中断、定时器中断
public long IrqTime { get; set; }
// 6. 软中断时间 (Soft IRQ Time)
// - 处理软中断的时间
// - 包括：网络包处理、定时器处理、调度器中断
public long SoftIrqTime { get; set; }
// 7. 虚拟化时间 (Steal Time)
// - 被虚拟机监控器占用的时间
public long StealTime { get; set; }
}

复制代码

然后计算公式如下:

public class CpuUsageCalculator
{
public static CpuUsageBreakdown CalculateCpuUsage(CpuTimeSnapshot current, CpuTimeSnapshot previous)
{
var totalDiff = current.TotalTime - previous.TotalTime;
return new CpuUsageBreakdown
{
// 总CPU使用率 = (总时间 - 空闲时间 - I/O等待时间) / 总时间
TotalUsage = (double)(totalDiff - current.IdleTime + previous.IdleTime -
current.IoWaitTime + previous.IoWaitTime) / totalDiff * 100,
// 用户态使用率
UserUsage = (double)(current.UserTime - previous.UserTime) / totalDiff * 100,
// 系统态使用率
SystemUsage = (double)(current.SystemTime - previous.SystemTime) / totalDiff * 100,
// 中断使用率
IrqUsage = (double)(current.IrqTime + current.SoftIrqTime -
previous.IrqTime - previous.SoftIrqTime) / totalDiff * 100,
// I/O等待率
IoWaitUsage = (double)(current.IoWaitTime - previous.IoWaitTime) / totalDiff * 100,
// 空闲率
IdleUsage = (double)(current.IdleTime - previous.IdleTime) / totalDiff * 100
};
}
}

复制代码

这里就有人问了，cpu 为啥会有空闲时间呢？ cpu 应该是一直会运行的，那么这个空闲时间是什么呢？

public class IdleTimeExplanation
{
public static void ExplainIdleTime()
{
Console.WriteLine("CPU空闲时间包括：");
Console.WriteLine("1. HALT指令执行时间 - CPU进入低功耗状态");
Console.WriteLine("2. 等待中断的时间 - 没有可执行的任务");
Console.WriteLine("3. 节能模式时间 - CPU降频或休眠");
Console.WriteLine("4. 调度器空闲时间 - 没有就绪进程");
Console.WriteLine("5. 内核空闲循环 - 执行idle进程");
}
}

复制代码

在操作系统重，会执行idle 进程，不让cpu空闲下来，这个是为了让cpu不脱离操作系统的控制。

// Linux内核中的空闲进程
public class IdleProcess
{
public static void IdleLoop()
{
while (true)
{
// 1. 检查是否有就绪进程
if (HasReadyProcess())
{
ScheduleNextProcess();
break;
}
// 2. 执行HALT指令，进入低功耗状态
HaltCpu();
// 3. 等待中断唤醒
WaitForInterrupt();
// 4. 处理中断
HandleInterrupt();
}
}
private static void HaltCpu()
{
// 执行HLT指令，CPU进入低功耗状态
// 但CPU仍然可以响应中断
}
}

复制代码

那么这里的软中断和硬中断是怎么占用cpu的时间的？
按照我们的思维上来说，处理软中断和硬中断呢？理论上cpu只是会找到特定的程序的位置，但是处理算是系统处理，应该算在系统上吧。
那么我们看一下定义：系统时间是什么定义：
系统时间是应用程序在内核态执行的时间。
那么这里看到，其实内核调用呢？分为两个部分一个是系统时间，一个是中断时间。

public class InterruptVsSystemTime
{
public static void ExplainDifference()
{
Console.WriteLine("中断时间 vs 系统时间的区别：");
Console.WriteLine();
Console.WriteLine("系统时间 (System Time)：");
Console.WriteLine("- 应用程序主动发起的系统调用");
Console.WriteLine("- 进程在用户态主动调用内核函数");
Console.WriteLine("- 例如：read(), write(), malloc()");
Console.WriteLine("- 进程知道何时开始和结束");
Console.WriteLine();
Console.WriteLine("中断时间 (IRQ Time)：");
Console.WriteLine("- 硬件设备强制中断当前执行");
Console.WriteLine("- CPU被动响应中断信号");
Console.WriteLine("- 例如：网卡中断、磁盘中断");
Console.WriteLine("- 进程不知道何时发生中断");
Console.WriteLine("- 中断处理程序在内核态执行");
}
}

复制代码

执行的上下文也不同：

public class ExecutionContext
{
public static void DemonstrateContext()
{
Console.WriteLine("执行上下文对比：");
Console.WriteLine();
Console.WriteLine("系统调用上下文：");
Console.WriteLine("用户进程 -> 系统调用 -> 内核函数 -> 返回用户进程");
Console.WriteLine("主动发起，可预测，进程控制");
Console.WriteLine();
Console.WriteLine("中断处理上下文：");
Console.WriteLine("用户进程 -> 硬件中断 -> 中断处理程序 -> 返回用户进程");
Console.WriteLine("被动响应，不可预测，硬件控制");
}
}

复制代码

那么同样有人会疑问了，硬中断是硬件中断的，软中断是软件中断的? 真的是这个概念吗？如果是这样，系统调用不也是软中断嘛？
那么来看一下系统调用和软中断的区别:
1.1 基本概念对比

public class SystemCallVsSoftInterrupt
{
public static void ExplainDifference()
{
Console.WriteLine("系统调用 vs 软中断：");
Console.WriteLine();
Console.WriteLine("系统调用 (System Call)：");
Console.WriteLine("- 用户程序主动发起的请求");
Console.WriteLine("- 通过特定的指令序列触发");
Console.WriteLine("- 进程知道何时发生");
Console.WriteLine("- 同步执行");
Console.WriteLine("- 例如：read(), write(), malloc()");
Console.WriteLine();
Console.WriteLine("软中断 (Soft IRQ)：");
Console.WriteLine("- 内核或硬件触发的异步事件");
Console.WriteLine("- 通过设置标志位触发");
Console.WriteLine("- 进程不知道何时发生");
Console.WriteLine("- 异步执行");
Console.WriteLine("- 例如：网络包处理、定时器处理");
}
}

复制代码

1.2 触发机制的不同

; 系统调用的触发机制
system_call:
; 1. 用户程序执行syscall指令
syscall
; 2. CPU自动切换到内核态
; 3. 跳转到系统调用处理程序
; 4. 执行系统调用逻辑
; 5. 返回用户态
; 软中断的触发机制
soft_irq:
; 1. 内核或硬件设置软中断标志
set_bit(SOFTIRQ_BIT, &softirq_pending)
; 2. 在适当时机检查软中断标志
; 3. 执行软中断处理程序
; 4. 清除软中断标志

复制代码

软中断流程：

public class SoftInterruptFlow
{
public static void DemonstrateSoftInterrupt()
{
Console.WriteLine("软中断执行流程：");
Console.WriteLine();
Console.WriteLine("触发阶段：");
Console.WriteLine("1. 硬件中断处理程序设置软中断标志");
Console.WriteLine("2. 硬件中断处理完成");
Console.WriteLine("3. 返回被中断的进程");
Console.WriteLine();
Console.WriteLine("执行阶段：");
Console.WriteLine("4. 内核在适当时机检查软中断标志");
Console.WriteLine("5. 发现有待处理的软中断");
Console.WriteLine("6. 执行软中断处理程序");
Console.WriteLine("7. 清除软中断标志");
Console.WriteLine();
Console.WriteLine("特点：异步、不可预测、内核控制");
}
}

复制代码

软中断的实现:

// Linux内核软中断实现
void do_softirq(void)
{
unsigned long pending;
// 获取待处理的软中断
pending = local_softirq_pending();
if (pending) {
// 执行软中断处理程序
if (pending & (1 << NET_RX_SOFTIRQ))
net_rx_action();
if (pending & (1 << TIMER_SOFTIRQ))
run_timer_softirq();
if (pending & (1 << TASKLET_SOFTIRQ))
tasklet_action();
}
}

复制代码

大概就是这样一个过程:

public class HardInterrupt
{
public static void ExplainHardInterrupt()
{
Console.WriteLine("硬中断 (Hard IRQ)：");
Console.WriteLine();
Console.WriteLine("定义：");
Console.WriteLine("- 由硬件设备直接发送到CPU的中断信号");
Console.WriteLine("- CPU必须立即响应的紧急事件");
Console.WriteLine("- 具有最高优先级");
Console.WriteLine("- 可以打断任何正在执行的代码");
Console.WriteLine();
Console.WriteLine("特点：");
Console.WriteLine("- 硬件触发");
Console.WriteLine("- 立即响应");
Console.WriteLine("- 不可屏蔽（某些情况下）");
Console.WriteLine("- 执行时间短");
}
}

复制代码

结

这里介绍了cpu的使用率是怎么回事，里面介绍了应用时间、系统时间、中断时间、空闲时间的概念，和他们之间的去呗，更有利于排查cpu高的问题，或者cpu不高，但是系统很慢，了解这些概念后，就容易根据这几个方面去排查。

来源：豆瓜网用户自行投稿发布，如果侵权，请联系站长删除

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