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learn.lianglianglee.com/专栏/容器实战高手课/06 容器CPU（2）：如何正确地拿到容器CPU的开销？.md.html
周伟 48163c6373 y
2022-05-11 18:52:13 +08:00

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<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>06 容器CPU（2）：如何正确地拿到容器CPU的开销？</h1>
<p>你好，我是程远。今天我们聊一聊，如何正确地拿到容器 CPU 的开销。</p>
<p>为啥要解决这个问题呢，还是来源于实际工作中的需要。</p>
<p>无论是容器的所有者还是容器平台的管理者，我们想要精准地对运行着众多容器的云平台做监控，快速排查例如应用的处理能力下降，节点负载过高等问题，就绕不开容器 CPU 开销。因为 CPU 开销的异常，往往是程序异常最明显的一个指标。</p>
<p>在一台物理机器或者虚拟机里，如果你想得到这个节点的 CPU 使用率，最常用的命令就是 top 了吧？top 一下子就能看到整个节点当前的 CPU 使用情况。</p>
<p>那么在容器里，top 命令也可以做到这点吗？想要知道答案，我们还是得实际动手试一试。</p>
<h2>问题重现</h2>
<p>实际上，你在使用容器的时候，如果运行 top 命令来查看当前容器总共使用了多少 CPU，你肯定马上就会失望了。</p>
<p>这是因为我们在容器中运行 top 命令，虽然可以看到容器中每个进程的 CPU 使用率，但是 top 中&quot;%Cpu(s)&quot;那一行中显示的数值，并不是这个容器的 CPU 整体使用率，而是容器宿主机的 CPU 使用率。</p>
<p>就像下面的这个例子，我们在一个 12 个 CPU 的宿主机上，启动一个容器，然后在容器里运行 top 命令。</p>
<p>这时我们可以看到，容器里有两个进程 threads-cpu，总共消耗了 200% 的 CPU（2 CPU Usage），而&quot;%Cpu(s)&quot;那一行的&quot;us cpu&quot;是 58.5%。对于 12CPU 的系统来说，12 * 58.5%=7.02，也就是说这里显示总共消耗了 7 个 CPU，远远大于容器中 2 个 CPU 的消耗。</p>
<p><img src="assets/byy517a2ee2e041c5ce0ae4a30753cfb.png" alt="img" /></p>
<p>运行top的示意图</p>
<p>这个例子说明，top 这个工具虽然在物理机或者虚拟机上看得到系统 CPU 开销，但是如果是放在容器环境下，运行 top 就无法得到容器中总的 CPU 使用率。那么，我们还有什么其他的办法吗？</p>
<h2>进程 CPU 使用率和系统 CPU 使用率</h2>
<p>通过问题重现，我们发现 top 工具主要显示了宿主机系统整体的 CPU 使用率，以及单个进程的 CPU 使用率。既然没有现成的工具可以得到容器 CPU 开销，那我们需要自己开发一个工具来解决问题了。</p>
<p>其实我们自己推导，也没有那么难。我认为，最有效的思路还是从原理上去理解问题。</p>
<p>所以，在解决怎样得到单个容器整体的 CPU 使用率这个问题之前，我们先来学习一下，在 Linux 中到底是如何计算单个进程的 CPU 使用率，还有整个系统的 CPU 使用率的。</p>
<h3>进程 CPU 使用率</h3>
<p>Linux 中每个进程的 CPU 使用率，我们都可以用 top 命令查看。</p>
<p>对照我们前面的那张示意图，我们可以发现，每个进程在 top 命令输出中都有对应的一行，然后“%CPU”的那一列就是这个进程的实时 CPU 使用率了。</p>
<p>比如说，100% 就表示这个进程在这个瞬时使用了 1 个 CPU，200% 就是使用了 2 个 CPU。那么这个百分比的数值是怎么得到呢？</p>
<p>最直接的方法，就是从源头开始寻找答案。因为是 top 命令的输出，我们可以去看一下 top 命令的源代码。在代码中你会看到对于每个进程，top 都会从 proc 文件系统中每个进程对应的 stat 文件中读取 2 个数值。我们先来看这个文件，再来解读文件中具体的两个数值。</p>
<p>这个 stat 文件就是 /proc/[pid]/stat ， [pid] 就是替换成具体一个进程的 PID 值。比如 PID 值为 1 的进程，这个文件就是 /proc/1/stat ，那么这个 /proc/[pid]/stat 文件里有什么信息呢？</p>
<p>其实这个 stat 文件实时输出了进程的状态信息，比如进程的运行态（Running 还是 Sleeping）、父进程 PID、进程优先级、进程使用的内存等等总共 50 多项。</p>
<p>完整的 stat 文件内容和格式在 proc 文件系统的 Linux programmer’s manual 里定义了。在这里，我们只需要重点关注这两项数值，stat 文件中的第 14 项 utime 和第 15 项 stime。</p>
<p><img src="assets/53c409d607942e8189f73636aafe3cb1.png" alt="img" /></p>
<p>那么这两项数值 utime 和 stime 是什么含义呢？utime 是表示进程的用户态部分在 Linux 调度中获得 CPU 的 ticks，stime 是表示进程的内核态部分在 Linux 调度中获得 CPU 的 ticks。</p>
<p>看到这个解释，你可能又冒出一个新问题，疑惑 ticks 是什么? 这个 ticks 就是 Linux 操作系统中的一个时间单位，你可以理解成类似秒，毫秒的概念。</p>
<p>在 Linux 中有个自己的时钟，它会周期性地产生中断。每次中断都会触发 Linux 内核去做一次进程调度，而这一次中断就是一个 tick。因为是周期性的中断，比如 1 秒钟 100 次中断，那么一个 tick 作为一个时间单位看的话，也就是 1/100 秒。</p>
<p>我给你举个例子说明，假如进程的 utime 是 130ticks，就相当于 130 * 1/100=1.3 秒，也就是进程从启动开始在用户态总共运行了 1.3 秒钟。</p>
<p>这里需要你注意，utime 和 stime 都是一个累计值，也就是说从进程启动开始，这两个值就是一直在累积增长的。</p>
<p>那么我们怎么计算，才能知道某一进程在用户态和内核态中，分别获得了多少 CPU 的 ticks 呢？</p>
<p>首先，我们可以假设这个瞬时是 1 秒钟，这 1 秒是 T1 时刻到 T2 时刻之间的，那么这样我们就能获得 T1 时刻的 utime_1 和 stime_1，同时获得 T2 时刻的 utime_2 和 stime_2。</p>
<p>在这 1 秒的瞬时，进程用户态获得的 CPU ticks 就是 (utime_2 – utime_1), 进程内核态获得的 CPU ticks 就是 (stime_2 – stime_1)。</p>
<p>那么我们可以推导出，进程 CPU 总的开销就是用户态加上内核态，也就是在 1 秒瞬时进程总的 CPU ticks 等于 (utime_2 – utime_1) + (stime_2 – stime_1)。</p>
<p>好了，现在我们得到了进程以 ticks 为单位的 CPU 开销，接下来还要做个转化。我们怎样才能把这个值转化成我们熟悉的百分比值呢？其实也不难，我们还是可以去 top 的源代码里得到这个百分比的计算公式。</p>
<p>简单总结一下，这个公式是这样的：</p>
<p>进程的 CPU 使用率 =((utime_2 – utime_1) + (stime_2 – stime_1)) * 100.0 / (HZ * et * 1 )</p>
<p>接下来，我再给你讲一下，这个公式里每一个部分的含义。</p>
<p>首先， ((utime_2 – utime_1) + (stime_2 – stime_1)) 是瞬时进程总的 CPU ticks。这个我们已经在前面解释过了。</p>
<p>其次，我们来看 100.0，这里乘以 100.0 的目的是产生百分比数值。</p>
<p>最后，我再讲一下 (HZ * et * 1)。这是被除数这里的三个参数，我给你详细解释一下。</p>
<p>第一个 HZ 是什么意思呢？前面我们介绍 ticks 里说了，ticks 是按照固定频率发生的，在我们的 Linux 系统里 1 秒钟是 100 次，那么 HZ 就是 1 秒钟里 ticks 的次数，这里值是 100。</p>
<p>第二个参数 et 是我们刚才说的那个“瞬时”的时间，也就是得到 utime_1 和 utime_2 这两个值的时间间隔。</p>
<p>第三个“1”, 就更容易理解了，就是 1 个 CPU。那么这三个值相乘，你是不是也知道了它的意思呢？就是在这“瞬时”的时间（et）里，1 个 CPU 所包含的 ticks 数目。</p>
<p>解释了这些参数，我们可以把这个公式简化一下，就是下面这样：</p>
<p>进程的 CPU 使用率 =（进程的 ticks/ 单个 CPU 总 ticks）*100.0</p>
<p>知道了这个公式，就需要上手来验证一下这个方法对不对，怎么验证呢？我们可以启动一个消耗 CPU 的小程序，然后读取一下进程对应的 /proc/[pid]/stat 中的 utime 和 stime，然后用这个方法来计算一下进程使用率这个百分比值，并且和 top 的输出对比一下，看看是否一致。</p>
<p>先启动一个消耗 200% 的小程序，它的 PID 是 10021，CPU 使用率是 200%。</p>
<p><img src="assets/yy5f601a16cd9c5f8b01157daea0d4f9.png" alt="img" /></p>
<p>然后，我们查看这个进程对应的 stat 文件 /proc/10021/stat，间隔 1 秒钟输出第二次，因为 stat 文件内容很多，我们知道 utime 和 stime 第 14 和 15 项，所以我们这里只截取了前 15 项的输出。这里可以看到，utime_1 = 399，stime_1=0，utime_2=600，stime_2=0。</p>
<p><img src="assets/29609d255bfd22eab6697f6ccd4923b0.png" alt="img" /></p>
<p>根据前面的公式，我们计算一下进程 threads-cpu 的 CPU 使用率。套用前面的公式，计算的过程是：</p>
<p>((600 – 399) + (0 – 0)) * 100.0 / (100 * 1 * 1) =201，也就是 201%。你会发现这个值和我们运行 top 里的值是一样的。同时，我们也就验证了这个公式是没问题的。</p>
<h3>系统 CPU 使用率</h3>
<p>前面我们介绍了 Linux 中如何获取单个进程的 CPU 使用率，下面我们再来看看 Linux 里是怎么计算系统的整体 CPU 使用率的。</p>
<p>其实知道了如何计算单个进程的 CPU 使用率之后，要理解系统整体的 CPU 使用率计算方法就简单多了。</p>
<p>同样，我们要计算 CPU 使用率，首先需要拿到数据，数据源也同样可以从 proc 文件系统里得到，对于整个系统的 CPU 使用率，这个文件就是 /proc/stat。</p>
<p>在 /proc/stat 文件的 cpu 这行有 10 列数据，同样我们可以在 proc 文件系统的 Linux programmer’s manual 里，找到每一列数据的定义，而前 8 列数据正好对应 top 输出中&quot;%Cpu(s)&quot;那一行里的 8 项数据，也就是在上一讲中，我们介绍过的 user/system/nice/idle/iowait/irq/softirq/steal 这 8 项。</p>
<p><img src="assets/7da412b1b9e4f4b235e5dae6c997859d.png" alt="img" /></p>
<p>而在 /proc/stat 里的每一项的数值，就是系统自启动开始的 ticks。那么要计算出“瞬时”的 CPU 使用率，首先就要算出这个“瞬时”的 ticks，比如 1 秒钟的“瞬时”，我们可以记录开始时刻 T1 的 ticks, 然后再记录 1 秒钟后 T2 时刻的 ticks，再把这两者相减，就可以得到这 1 秒钟的 ticks 了。</p>
<p><img src="assets/fa59040d49cb20d808619957ae1e2760.png" alt="img" /></p>
<p>这里我们可以得到，在这 1 秒钟里每个 CPU 使用率的 ticks：</p>
<p><img src="assets/f550d24358e7cc909ff337f4840512bd.jpeg" alt="img" /></p>
<p>我们想要计算每一种 CPU 使用率的百分比，其实也很简单。我们只需要把所有在这 1 秒里的 ticks 相加得到一个总值，然后拿某一项的 ticks 值，除以这个总值。比如说计算 idle CPU 的使用率就是：</p>
<pre><code>1203 /（ 0 + 0 + 0 + 1203 + 0 + 0 + 0 + 0）=100%
</code></pre>
<p>好了，我们现在来整体梳理一下，我们通过 Linux 里的工具，要怎样计算进程的 CPU 使用率和系统的 CPU 使用率。</p>
<p>对于单个进程的 CPU 使用率计算，我们需要读取对应进程的 /proc/[pid]/stat 文件，将进程瞬时用户态和内核态的 ticks 数相加，就能得到进程的总 ticks。</p>
<p>然后我们运用公式“(进程的 ticks / 单个 CPU 总 ticks) * 100.0”计算出进程 CPU 使用率的百分比值。</p>
<p>对于系统的 CPU 使用率，需要读取 /proc/stat 文件，得到瞬时各项 CPU 使用率的 ticks 值，相加得到一个总值，单项值除以总值就是各项 CPU 的使用率。</p>
<h2>解决问题</h2>
<p>前面我们学习了在 Linux 中，top 工具是怎样计算每个进程的 CPU 使用率，以及系统总的 CPU 使用率。现在我们再来看最初的问题：为什么在容器中运行 top 命令不能得到容器中总的 CPU 使用率？</p>
<p>这就比较好解释了，对于系统总的 CPU 使用率，需要读取 /proc/stat 文件，但是这个文件中的各项 CPU ticks 是反映整个节点的，并且这个 /proc/stat 文件也不包含在任意一个 Namespace 里。</p>
<p>那么，对于 top 命令来说，它只能显示整个节点中各项 CPU 的使用率，不能显示单个容器的各项 CPU 的使用率。既然 top 命令不行，我们还有没有办法得到整个容器的 CPU 使用率呢？</p>
<p>我们之前已经学习过了 CPU Cgroup，每个容器都会有一个 CPU Cgroup 的控制组。在这个控制组目录下面有很多参数文件，有的参数可以决定这个控制组里最大的 CPU 可使用率外，除了它们之外，目录下面还有一个可读项 cpuacct.stat。</p>
<p>这里包含了两个统计值，这两个值分别是这个控制组里所有进程的内核态 ticks 和用户态的 ticks，那么我们就可以用前面讲过的公式，也就是计算进程 CPU 使用率的公式，去计算整个容器的 CPU 使用率：</p>
<p>CPU 使用率 =((utime_2 – utime_1) + (stime_2 – stime_1)) * 100.0 / (HZ * et * 1 )</p>
<p>我们还是以问题重现中的例子说明，也就是最开始启动容器里的那两个容器 threads-cpu 进程。</p>
<p>就像下图显示的这样，整个容器的 CPU 使用率的百分比就是 ( (174021 - 173820) + (4 – 4)) * 100.0 / (100 * 1 * 1) = 201, 也就是 201%。所以，我们从每个容器的 CPU Cgroup 控制组里的 cpuacct.stat 的统计值中，可以比较快地得到整个容器的 CPU 使用率。</p>
<p><img src="assets/fdcfd5yy6e593cccea1bed7bfe4e5095.png" alt="img" /></p>
<h2>重点总结</h2>
<p>Linux 里获取 CPU 使用率的工具，比如 top，都是通过读取 proc 文件系统下的 stat 文件来得到 CPU 使用了多少 ticks。而这里的 ticks，是 Linux 操作系统里的一个时间单位，可以理解成类似秒，毫秒的概念。</p>
<p>对于每个进程来说，它的 stat 文件是 /proc/[pid]/stat，里面包含了进程用户态和内核态的 ticks 数目；对于整个节点，它的 stat 文件是 /proc/stat，里面包含了 user/system/nice/idle/iowait 等不同 CPU 开销类型的 ticks。</p>
<p>由于 /proc/stat 文件是整个节点全局的状态文件，不属于任何一个 Namespace，因此在容器中无法通过读取 /proc/stat 文件来获取单个容器的 CPU 使用率。</p>
<p>所以要得到单个容器的 CPU 使用率，我们可以从 CPU Cgroup 每个控制组里的统计文件 cpuacct.stat 中获取。单个容器 CPU 使用率 =((utime_2 – utime_1) + (stime_2 – stime_1)) * 100.0 / (HZ * et * 1 )。</p>
<p>得到单个容器的 CPU 的使用率，那么当宿主机上负载变高的时候，就可以很快知道是哪个容器引起的问题。同时，用户在管理自己成百上千的容器的时候，也可以很快发现 CPU 使用率异常的容器，这样就能及早地介入去解决问题。</p>
<h2>思考题</h2>
<p>写一个小程序，在容器中执行，它可以显示当前容器中所有进程总的 CPU 使用率。</p>
<p>欢迎在留言区和我互动，一起探讨容器 CPU 的相关问题。如果这篇文章让你有所收获，也欢迎你分享给更多的朋友，一起学习进步</p>
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var d = new Date();
d.setTime(d.getTime() + (180 * 24 * 60 * 60 * 1000));
var expires = "expires=" + d.toGMTString();
document.cookie = cname + "=" + cvalue + "; " + expires + ";path = /";
}
function getCookie(cname) {
var name = cname + "=";
var ca = document.cookie.split(';');
for (var i = 0; i < ca.length; i++) {
var c = ca[i].trim();
if (c.indexOf(name) === 0) return c.substring(name.length, c.length);
}
return "";
}
</script>
</html>
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