线程CPU使用率到底该如何计算？

来源：公众号【鱼鹰谈单片机】

作者：鱼鹰Osprey

ID   ：emOsprey

这篇笔记有如下内容：

1、为什么需要计算各个线程的CPU使用率？

2、该如何计算线程CPU使用率？

3、FreeRTOS线程计算的弊端？如何打破 FreeRTOS 线程计算方式的时间限制？

4、关键代码介绍。

上次介绍了如何计算整个系统的CPU使用率：

但是却没有介绍该如何计算每个线程（任务）的CPU使用率。

为什么要计算线程CPU使用率？

首先要问的是，为什么要计算线程的CPU使用率，有啥用？

我们知道系统的CPU使用率关注的是整个系统的使用情况，使用率越低，表示越能更及时的响应外部情况，整个系统的性能也会越好。

但这是从系统整体考量的，并不能反映单个线程的执行情况。

比如虽然整体的CPU使用率是30%，但是有一个线程占据了25%的使用率，一个线程使用率是5%，那么你肯定会想，为啥这个线程需要占用这么高的CPU使用率，是不是代码写的有问题，是不是代码可以优化一下？

当系统运行时，如果你能实时观察各个线程的CPU使用率，那么你就能知道平时这个线程的CPU使用情况是怎样的，为什么后来又高那么多，那么你就可以由此分析出这个线程可能出现了问题，也就可以针对性的进行检查了。

这点对于合作开发的项目更是明显，很多时候因为有些线程的代码不是自己写的，所以根本不知道代码执行情况，一旦系统出现问题，那么可能就是互相甩锅了。

而当计算了线程的CPU使用率，一旦发现某个线程执行异常，那么就能交给负责的人去查看了。

所以说，使用操作系统的项目是非常有必要计算各个线程（任务）的CPU使用率的。

就好比你的电脑，风扇嗡嗡响（CPU高负荷运行），如果只有一个系统CPU使用率，发现高达90%，但是你却根本不知道为什么这么高，所以只能重启。

而一旦有了进程CPU使用率，查看一下哪个进程CPU使用率高，把对应的进程关闭就行了，根本不需要重启电脑。

如何计算线程CPU使用率？

那么现在就来看看该如何计算各个线程的CPU使用率。

从前面的笔记，我们其实也可以猜测该如何计算，无非就是获取每个线程的执行时间罢了。

比如，1秒时间内，空闲任务执行700毫秒，任务1执行200毫秒，任务2执行100毫秒，那么各个任务的CPU使用率分别是 70%、20%、10%。

以前计算系统的CPU使用率的时候，采用了软件方法计算空闲任务的运行时间，这必然是不够准确的，所以最好的方式是采用硬件计时。

因为鱼鹰采用STM32F103进行测试，所以使用DWT外设进行精确计时，不过麻烦的是，在KEIL 软件仿真情况下，DWT外设是无法工作的，所以如果要测试的话，必须使用硬件仿真的方式，不过如果真要KEIL软件仿真的话，也不是没有办法，就是使用硬件定时器，这个按下不表。

毕竟，DWT外设的功能在这里说白了也就是个定时器而已。

既然要获取线程的执行时间，关键一点就是，我们要知道操作系统什么时候会切换到某一个线程运行，什么时候又会从这个线程切出，到另一个线程执行呢？

这个关键还是在系统内置的钩子函数。上次的笔记鱼鹰介绍过空闲钩子函数，今天介绍另一个钩子，任务切换钩子函数。

这个钩子函数的特点就是，每当系统需要切换到下一个任务时，就会先执行这个函数。这个函数一般有两个参数，当前任务和即将切换的任务。

只要设置任务切换的钩子函数，并且有时间戳，那么计算一个任务的执行时间也就不那么困难了。

比如，操作系统在时刻12345 ms 切换到空闲任务执行，突然一个任务就绪，开始准备执行，所以在时刻12445切换到那个就绪任务执行，那么空闲任务的执行时间我们也就可以准确计算出来了。

12445 – 12345 = 100 ms

也就是说，这一次空闲任务执行了 100 毫秒。

如果我们要计算单位时间（比如1秒内）空闲任务的执行时间，我们只要在每次运行到空闲任务时累计时间即可。

比如1秒内，空闲任务执行了 5 次，分别是 10、200、100、200、50，累计时间为

10 + 200 + 100 + 200 + 50 = 560毫秒

由此，可计算空闲任务的CPU使用率为 56%，从而可计算出系统的CPU使用率是44%。

是的，通过线程的CPU使用率方法，我们其实也可以计算整个系统的CPU使用率。而且这种计算方式比前面所说的计算方法更准确，更科学。

前面采用时间戳进行计算，但是时间戳是会溢出的，那个时候，你的时间计算还是准确的吗？

FreeRTOS线程计算限制？

现在鱼鹰就来说说第三个问题，FreeRTOS线程计算的弊端？如何打破 FreeRTOS 线程计算方式的时间限制？

从网上查找FreeRTOS任务CPU计算相关的资料，可以得到以下信息：

1、需要开一个定时器，这个定时器中断频率是操作系统时钟的十几倍（为了保证计算精度）。

2、一个64 位的变量在定时器自加更新，一旦变量溢出，时间计算就会出现问题。

（相关细节可查看安富莱教程）

第一个问题会导致系统性能下降（中断频率太高，一般是微秒级别的），而第二个问题导致在一段时间内（小时级别）线程CPU使用率计算准确，超出时间后，计算会有问题，所以教程中不建议在正式版本加入此功能。

第一个问题其实很好解决，就是使用硬件定时器，不再由CPU去更新时间，这样不会占用CPU时间，第二个问题其实也非常好解决，就是通过《延时功能进化论(合集)》的方式解决溢出问题，这里不再展开说其中的奥妙。

任务切换钩子函数的实现

总之，鱼鹰接下来的实现方式解决了以上两个痛点，即使无限执行下去，也不会影响到计算精度问题，唯一对系统产生的一点影响，只有在任务切换时消耗的一点计算时间（微秒级别）。

那么先上任务切换钩子函数关键实现代码（RT-Thread）：

void thread_stats_scheduler_hook(struct rt_thread *from, struct rt_thread *to)
{
    static uint32_t schedule_last_time;
    
    uint32_t time;
    
    time = get_curr_time();
    
    from->user_data   += (time - schedule_last_time);
    schedule_last_time = time;
}

如何将这个函数注册到操作系统中被系统调用呢？

通过这个函数即可：

那么现在来分析这个钩子函数实现：

一个静态变量，用于记录切换时的时间戳。

每次任务开始切换时，更新这个时间戳，同时累积时间，这个时间保存在当前任务的user_data里面。

难理解？看下图就清楚了。

假设系统调度是从任务1切换到任务2，即from为任务1，to为任务2，此时获取的时间戳为 T1。

上一次的时间戳我们已经通过静态变量保留了，这里为T0，那么T1-T0就是from任务即任务1在本次运行的时间，只要下次运行任务1时继续不断的累积这个时间，那么就可以得到任务1的总运行时间。

任务2同理。

当然我们不可能一直累积下去，不然肯定会溢出，所以隔一段时间就需要清零，这个时间其实就是线程CPU计算的周期。

    这里还有一个函数没有说，就是 get_curr_time()，在这里使用DWT，为了可以重新实现该函数，鱼鹰使用了弱属性 weak（关于这个看参考：《困惑多年，为什么 printf 可以重定向？ 》）。

__weak
uint32_t get_curr_time() 
{
    return DWT->CYCCNT; // don't use the function rt_tick_get()
}

这里可以看到有个注释，不要使用 rt_tick_get 函数，为啥？

精度太低，有些任务本来执行了的，但是因为执行时间小于操作系统的时钟（比如1毫秒），那么就无法累积时间了，那么即使这个任务运行再多，时间累积也为 0，这肯定是我们不希望看到的。

然后再说一个点，为了简化代码（钩子函数代码只有短短几行），鱼鹰这样的实现是有两个问题的。

1、首次运行计算有误，因为静态变量应该在运行任务之前就初始化的（不应该初始化为 0），而钩子函数是在任务运行之后才调用的，所以从开机以来的时间被累加到第一个运行任务中了，这肯定是有问题的，不过后面随着系统的运行，静态变量被持续更新，就不会再出现这个问题了。

2、为了减少修改，鱼鹰把线程的use_data当成一个变量使用了，实际上这个变量的功能应该是存储线程私有变量地址的，但是因为鱼鹰懒得修改太多代码，所以直接拿来用了。正因为如此，所以鱼鹰添加线程CPU计算时，只要修改很少的代码就可以了。

线程CPU的计算

目前我们已经能够通过钩子函数获取各个线程的CPU执行时间，现在就看该如何计算了。

为了计算各个线程的CPU使用率，我们需要确定计算周期，这里我们可以设置1秒计算一次。

其次，我们需要确定在哪个任务执行计算。

原理上来说，可以是系统中的任何一个任务，但是为了减少对系统的干扰，可以将计算工作放到优先级比较低的任务中进行，比如空闲任务。

现在，看看函数是如何实现的：

// can call the function 1 s (max 60s when stm32f1xx because of dwt)
void thread_cal_usage(thread_run_info_def *run_info)
{
    static uint32_t total_time_last; 
    
    uint32_t time, total_time;
    struct rt_list_node *node;
    struct rt_list_node *list;
    struct rt_thread *thread;
    uint32_t i;
 
    rt_enter_critical(); // 关闭系统调度，防止在计算过程中更新线程时间，影响计算
  
  time = get_curr_time(); // 获取当前时间戳
    total_time             = time - total_time_last;   // 计算运行总时间
    total_time_last = time; // 更新时间
    
    list = &(rt_object_get_information(RT_Object_Class_Thread)->object_list); // 获取线程列表指针
  // 搜索类别
    for(i = 0, node = list->next; (node != list) && i < THREAD_NBR_MAX; node = node->next, i++){
        thread            = rt_list_entry(node, struct rt_thread, list); // 获取线程地址
        run_info[i].name  = thread->name;     // 保存线程名
        run_info[i].time  = thread->user_data;  // 保存线程执行时间
        thread->user_data = 0;          // 清除线程执行时间
    }
        
    rt_exit_critical();// 开启系统调度
    
  // 计算各个线程的 CPU 使用率
    total_time /= 100; 
    if(total_time > 0){
        for(uint32_t j = i, i = 0; i < j; i++)
        {
            run_info[i].usage = run_info[i].time / total_time;
        }
    }
}

注释已经很详尽了，所以不多做讨论。主要说以下几点：

1、为什么需要关闭调度器，可以使用关中断吗？

关调度器是为了防止在获取各个线程执行时间时，因为系统调度而导致执行时间被更新，从而导致计算有误，所以需要关闭调度器。

那么为什么不使用关中断的方式呢？没有必要。一旦关中断，那么中断就无法响应了，所以在可以关调度器的情况下满足要求，就不应该关中断。

2、为什么分两步计算，为什么不将最终的计算放在第一个循环中执行呢？

节省时间，为了尽量减少关调度器的时间，能省一点是一点。毕竟只要能获取到关键信息，啥时候计算都一样。

3、因为线程CPU计算周期是自动计算的，所以，计算周期其实就是该函数的调用周期，即2秒调用一次，那么线程CPU计算周期就是2秒，但是需要注意的是，调用周期必须小于定时器的溢出时间，即当你使用 DWT 时，调用周期应该在 60 秒以下（72 M 系统时钟），否则计算是有问题的。

现在我们已经算是完成了线程CPU计算问题，但为了使用方便，我们需要把它打印出来，或者把这些信息字符串化：

void thread_stats_print(void)
{
    thread_run_info_def run_info[THREAD_NBR_MAX] = {0};
    thread_run_info_def *p_info;

    thread_cal_usage(run_info);
    
    rt_kprintf("thread\t\t\ttime\t usage\n");
    for(uint32_t i = 0; i < THREAD_NBR_MAX; i++)
    {
        p_info = &run_info[i]; 
        if(p_info->name != NULL)
        {
            if(p_info->usage > 0)  // CPU 使用率大于 1 %
            {
                    rt_kprintf("%-16s\t%u\t%2u%%\n",  p_info->name, 
                                                     (uint32_t)p_info->time, 
                                                     (uint32_t)p_info->usage);
            }
            else  
            {
                    rt_kprintf("%-16s\t%u\t<1%%\n", p_info->name, 
                                                   (uint32_t)p_info->time,  
                                                   (uint32_t)p_info->usage);
            }
        }
        else
        {
            break;
        }
    }
}

这里将线程名、线程执行时间、线程使用率都打印出来了，但是需要注意的是，这里的time 时间单位是定时器的单位，而不是微秒、毫秒，比如如果使用 DWT，那么单位就是 1/72 微秒，即如果 time 值为 1000，那么换算到微秒，应该是 1000/72 秒，当然了，你也可以在打印的同时就把时间换算一下，这个自由发挥就好。

最后，鱼鹰将代码提交到了 RT-Thread 官方工程里面，这是鱼鹰第一次使用 Git 提交开源项目（操作不熟练，还是上网搜的教程），也不知道最后合并了没有。

如果对完整代码感兴趣的，也可以在后台回复关键字领取。

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-THE END-

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