摘要:CPUP(Central Processing Unit Percentage,CPU占用率)分为系统CPU占用率和任务CPU占用率。用户通过系统级的CPU占用率,判断当前系统负载是否超出设计规格。通过系统中各个任务的CPU占用情况,判断各个任务的CPU占用率是否符合设计的预期。
本文分享自华为云社区《鸿蒙轻内核M核源码分析系列十五 CPU使用率CPUP (1)》,作者:zhushy。
CPUP(Central Processing Unit Percentage,CPU占用率)分为系统CPU占用率和任务CPU占用率。用户通过系统级的CPU占用率,判断当前系统负载是否超出设计规格。通过系统中各个任务的CPU占用情况,判断各个任务的CPU占用率是否符合设计的预期。
系统CPU占用率是指周期时间内系统的CPU占用率,用于表示系统一段时间内的闲忙程度,也表示CPU的负载情况。系统CPU占用率的有效表示范围为0~100,其精度(可通过配置调整)为百分比。100表示系统满负荷运转。
任务CPU占用率指单个任务的CPU占用率,用于表示单个任务在一段时间内的闲忙程度。任务CPU占用率的有效表示范围为0~100,其精度(可通过配置调整)为百分比。100表示在一段时间内系统一直在运行该任务。
本文通过分析鸿蒙轻内核CPUP扩展模块的源码。本文中所涉及的源码,以OpenHarmony LiteOS-M内核为例,均可以在开源站点https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_m 获取。
CPUP模块用任务级记录的方式,在任务切换时,记录任务启动时间,任务切出或者退出时间,每次当任务退出时,系统会累加整个任务的占用时间。接下来,我们看下CPUP模块支持的常见操作的源代码。
1、CPUP结构体定义和常用宏定义
1.1 CPUP结构体定义
在文件componentscpuplos_cpup.h定义的CPUP控制块结构体为OsCpupCB,结构体源代码如下,allTime记录该任务自系统启动以来运行的cycle数,startTime记录任务开始运行的时间,historyTime[]历史运行时间数组的10个元素记录最近10秒中每一秒中每个任务自系统启动以来运行的cycle数,其他结构体成员的解释见注释部分。
typedef struct { UINT32 cpupID; /**< 任务编号 */ UINT16 status; /**< 任务状态 */ UINT64 allTime; /**< 总共运行的时间 */ UINT64 startTime; /**< 任务开始时间 */ UINT64 historyTime[OS_CPUP_HISTORY_RECORD_NUM]; /**< 历史运行时间数组,其中OS_CPUP_HISTORY_RECORD_NUM为10 */ } OsCpupCB;
另外,还定义了一个结构体CPUP_INFO_S,如下:
typedef struct tagCpupInfo { UINT16 usStatus; /**< 保存当前运行任务状态 */ UINT32 uwUsage; /**< 使用情况,值范围为 [0,1000]. */ } CPUP_INFO_S;
1.2 CPUP枚举定义
CPUP头文件componentscpuplos_cpup.h中还提供了相关的枚举,CPUP占用率类型CPUP_TYPE_E,及CPUP统计时间间隔模式CPUP_MODE_E。
typedef enum { SYS_CPU_USAGE = 0, /* 系统CPUP */ TASK_CPU_USAGE, /* 任务CPUP */ } CPUP_TYPE_E; typedef enum { CPUP_IN_10S = 0, /* CPUP统计周期10s */ CPUP_IN_1S, /* CPUP统计周期1s */ CPUP_LESS_THAN_1S, /* CPUP统计周期<1s */ } CPUP_MODE_E;
2、CPUP初始化
CPUP默认关闭,用户可以通过宏LOSCFG_BASE_CORE_CPUP进行开启。开启CPUP的情况下,在系统启动时,在kernelsrclos_init.c中调用OsCpupInit()进行CPUP模块初始化。下面,我们分析下CPUP初始化的代码。
⑴处计算CPUP结构体池需要的内存大小,然后为CPUP申请内存,如果申请失败,则返回错误。⑵处初始化成功后,设置初始化标记g_cpupInitFlg。
LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 OsCpupInit() { UINT32 size; size = g_taskMaxNum * sizeof(OsCpupCB); ⑴ g_cpup = (OsCpupCB *)LOS_MemAlloc(m_aucSysMem0, size); if (g_cpup == NULL) { return LOS_ERRNO_CPUP_NO_MEMORY; } (VOID)memset_s(g_cpup, size, 0, size); ⑵ g_cpupInitFlg = 1; return LOS_OK; }
3、CPUP常用操作
3.1 CPUP内部接口
我们先分析下内部接口,这些接口会被LOS_开头的外部接口调用。
3.1.1 OsTskCycleStart记录任务开始时间
CPUP模块对外接口执行后期会调用该内部接口,设置下一个任务的开始运行时间。
⑴处先判断CPUP是否已经初始化,如果没有初始化过,退出该函数的执行。⑵处获取新任务的任务编号。⑶处设置该任务对应的CPUP结构体的任务编号和开始时间。
LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR VOID OsTskCycleStart(VOID) { UINT32 taskID; ⑴ if (g_cpupInitFlg == 0) { return; } ⑵ taskID = g_losTask.newTask->taskID; ⑶ g_cpup[taskID].cpupID = taskID; g_cpup[taskID].startTime = LOS_SysCycleGet(); return; }
3.1.2 OsTskCycleEnd记录任务结束时间
CPUP模块对外接口执行前期会调用该内部接口,获取当前任务的结束时间,并统计当前任务的运行总时间。
⑴处先判断CPUP是否已经初始化,如果没有初始化过,退出该函数的执行。⑵处获取当前任务的任务编号。⑶处如果该任务的开始时间为0,退出函数执行。⑷处获取系统的当前cycle数。⑸如果获取的小于任务CPUP开始时间,则把获取的cycle数加上每个tick的cycle数。⑹处计算当前任务的运行的总时间,然后把开始时间置0。
LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR VOID OsTskCycleEnd(VOID) { UINT32 taskID; UINT64 cpuCycle; ⑴ if (g_cpupInitFlg == 0) { return; } ⑵ taskID = g_losTask.runTask->taskID; ⑶ if (g_cpup[taskID].startTime == 0) { return; } ⑷ cpuCycle = LOS_SysCycleGet(); ⑸ if (cpuCycle < g_cpup[taskID].startTime) { cpuCycle += g_cyclesPerTick; } ⑹ g_cpup[taskID].allTime += (cpuCycle - g_cpup[taskID].startTime); g_cpup[taskID].startTime = 0; return; }
3.1.3 OsTskCycleEndStart任务切换时更新任务历史运行时间
该函数在任务调度切换时会被执行,计算当前运行任务的运行总时间,记录新任务的开始时间,并更新所有任务的历史运行时间。函数的示意图如下:
⑴处先判断CPUP是否已经初始化,如果没有初始化过,退出该函数的执行。⑵处获取当前任务的任务编号,然后获取系统的当前cycle数。⑶处如果当前任务的开始时间不为0,则计算当前任务的运行的总时间,然后把开始时间置0。
⑷处获取新任务的任务编号,⑸处设置该任务对应的CPUP结构体的任务编号和开始时间。⑹处如果记录间隔大于系统时钟(即每秒的cycle数),更新上次记录时间。这意味着每个任务的historyTime[]数组中的每个元素表示1s多的周期内该任务的运行cycle数量,并不是非常精确的。然后执行⑺,记录每一个任务对应的CPUP的历史运行时间。⑻处更新历史运行时间数组的当前索引值。
LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR VOID OsTskCycleEndStart(VOID) { UINT32 taskID; UINT64 cpuCycle; UINT16 loopNum; ⑴ if (g_cpupInitFlg == 0) { return; } ⑵ taskID = g_losTask.runTask->taskID; cpuCycle = LOS_SysCycleGet(); ⑶ if (g_cpup[taskID].startTime != 0) { if (cpuCycle < g_cpup[taskID].startTime) { cpuCycle += g_cyclesPerTick; } g_cpup[taskID].allTime += (cpuCycle - g_cpup[taskID].startTime); g_cpup[taskID].startTime = 0; } ⑷ taskID = g_losTask.newTask->taskID; ⑸ g_cpup[taskID].cpupID = taskID; g_cpup[taskID].startTime = cpuCycle; ⑹ if ((cpuCycle - g_lastRecordTime) > OS_CPUP_RECORD_PERIOD) { g_lastRecordTime = cpuCycle; for (loopNum = 0; loopNum < g_taskMaxNum; loopNum++) { ⑺ g_cpup[loopNum].historyTime[g_hisPos] = g_cpup[loopNum].allTime; } ⑻ if (g_hisPos == (OS_CPUP_HISTORY_RECORD_NUM - 1)) { g_hisPos = 0; } else { g_hisPos++; } } return; }
3.1.4 OsGetPrePos获取历史运行时间数组上一索引位置
代码比较简单,如果传入参数curPos为0,则返回数组的最后一个索引位置OS_CPUP_HISTORY_RECORD_NUM - 1。否则返回减1返回。
LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR static inline UINT16 OsGetPrePos(UINT16 curPos) { return (curPos == 0) ? (OS_CPUP_HISTORY_RECORD_NUM - 1) : (curPos - 1); }
3.1.5 OsGetPositions获取历史运行时间数组的当前及上一索引位置
根据CPUP统计时间间隔模式,获取历史运行时间数组的当前及上一索引位置。
⑴处获取历史运行时间数组的当前索引位置,⑵如果时间间隔模式为1秒,当前索引curPos位置为g_hisPos的上一索引位置,上一索引位置prePos需要继续上前一位。⑶如果时间间隔模式小于1秒,当前索引curPos位置为g_hisPos的上一索引位置,上一索引位置prePos为0。如果时间间隔模式是10秒,当前索引curPos位置就等于g_hisPos,上一索引位置prePos为0。⑷处设置传出参数。
LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR static VOID OsGetPositions(UINT16 mode, UINT16* curPosAddr, UINT16* prePosAddr) { UINT16 curPos; UINT16 prePos = 0; ⑴ curPos = g_hisPos; ⑵ if (mode == CPUP_IN_1S) { curPos = OsGetPrePos(curPos); prePos = OsGetPrePos(curPos); ⑶ } else if (mode == CPUP_LESS_THAN_1S) { curPos = OsGetPrePos(curPos); } ⑷ *curPosAddr = curPos; *prePosAddr = prePos; }
3.2 CPUP对外接口
我们先分析下外部接口,接口说明如下:
3.2.1 LOS_SysCpuUsage
该函数会统计当前系统CPU占用率,返回值基于千分率计算,取值范围为[0,1000]。函数的示意图如下:
⑴处先判断CPUP是否已经初始化,如果没有初始化过,返回错误码。⑵处调用函数OsTskCycleEnd()获取当前任务的结束时间,并计算出运行总时间。⑶处统计所有任务的运行总时间,如果总时间不为0,执行⑷计算出系统的任务CPU占用率。⑸处调用函数OsTskCycleStart()设置新任务的CPUP统计的开始时间。
LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR UINT32 LOS_SysCpuUsage(VOID) { UINT64 cpuCycleAll = 0; UINT32 cpupRet = 0; UINT16 loopNum; UINT32 intSave; ⑴ if (g_cpupInitFlg == 0) { return LOS_ERRNO_CPUP_NO_INIT; } intSave = LOS_IntLock(); ⑵ OsTskCycleEnd(); ⑶ for (loopNum = 0; loopNum < g_taskMaxNum; loopNum++) { cpuCycleAll += g_cpup[loopNum].allTime; } ⑷ if (cpuCycleAll) { cpupRet = LOS_CPUP_PRECISION - (UINT32)((LOS_CPUP_PRECISION * g_cpup[g_idleTaskID].allTime) / cpuCycleAll); } ⑸ OsTskCycleStart(); LOS_IntRestore(intSave); return cpupRet; }
3.2.2 LOS_HistorySysCpuUsage
该函数获取系统历史CPU占用率,对于历史CPU占用率,需要传入时间间隔模式参数,支持10秒、1秒、小于1秒三种。
⑴处先判断CPUP是否已经初始化,如果没有初始化过,返回错误码。⑵处调用函数OsTskCycleEnd()获取当前任务的结束时间,并计算出运行总时间。⑶处调用函数OsGetPositions()计算出历史运行时间数组索引位置。⑷处计算出各个任务的周期内运行总时间,如果时间间隔模式为1秒,取值两个历史运行时间之差,即为1秒内任务的运行时间数。对于时间间隔模式为10秒,historyTime[curPos]表示10秒前的自系统启动以来的任务运行的时间数,计算出来的差值即为10秒内任务的运行时间数。对于时间间隔模式为小于1秒,historyTime[curPos]表示上一秒前的自系统启动以来的任务运行的时间数,计算出来的差值即为小于1秒内任务的运行时间数。⑸处计算空闲任务周期内运行总时间。⑹处如果总时间不为0,计算出系统的任务历史CPU占用率。最后,调用函数OsTskCycleStart()设置新任务的CPUP统计的开始时间。可以参考示意图进行理解:
LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR UINT32 LOS_HistorySysCpuUsage(UINT16 mode) { UINT64 cpuCycleAll = 0; UINT64 idleCycleAll = 0; UINT32 cpupRet = 0; UINT16 loopNum; UINT16 curPos; UINT16 prePos = 0; UINT32 intSave; ⑴ if (g_cpupInitFlg == 0) { return LOS_ERRNO_CPUP_NO_INIT; } // get end time of current task intSave = LOS_IntLock(); ⑵ OsTskCycleEnd(); ⑶ OsGetPositions(mode, &curPos, &prePos); for (loopNum = 0; loopNum < g_taskMaxNum; loopNum++) { ⑷ if (mode == CPUP_IN_1S) { cpuCycleAll += g_cpup[loopNum].historyTime[curPos] - g_cpup[loopNum].historyTime[prePos]; } else { cpuCycleAll += g_cpup[loopNum].allTime - g_cpup[loopNum].historyTime[curPos]; } } ⑸ if (mode == CPUP_IN_1S) { idleCycleAll += g_cpup[g_idleTaskID].historyTime[curPos] - g_cpup[g_idleTaskID].historyTime[prePos]; } else { idleCycleAll += g_cpup[g_idleTaskID].allTime - g_cpup[g_idleTaskID].historyTime[curPos]; } ⑹ if (cpuCycleAll) { cpupRet = (LOS_CPUP_PRECISION - (UINT32)((LOS_CPUP_PRECISION * idleCycleAll) / cpuCycleAll)); } OsTskCycleStart(); LOS_IntRestore(intSave); return cpupRet; }
3.2.3 LOS_TaskCpuUsage
该函数会统计指定任务的CPU占用率,和函数LOS_SysCpuUsage()代码相似度高,可以参考上文对该函数的讲解。
LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR UINT32 LOS_TaskCpuUsage(UINT32 taskID) { UINT64 cpuCycleAll = 0; UINT16 loopNum; UINT32 intSave; UINT32 cpupRet = 0; if (g_cpupInitFlg == 0) { return LOS_ERRNO_CPUP_NO_INIT; } if (OS_TSK_GET_INDEX(taskID) >= g_taskMaxNum) { return LOS_ERRNO_CPUP_TSK_ID_INVALID; } if (g_cpup[taskID].cpupID != taskID) { return LOS_ERRNO_CPUP_THREAD_NO_CREATED; } if ((g_cpup[taskID].status & OS_TASK_STATUS_UNUSED) || (g_cpup[taskID].status == 0)) { return LOS_ERRNO_CPUP_THREAD_NO_CREATED; } intSave = LOS_IntLock(); OsTskCycleEnd(); for (loopNum = 0; loopNum < g_taskMaxNum; loopNum++) { if ((g_cpup[loopNum].status & OS_TASK_STATUS_UNUSED) || (g_cpup[loopNum].status == 0)) { continue; } cpuCycleAll += g_cpup[loopNum].allTime; } if (cpuCycleAll) { cpupRet = (UINT32)((LOS_CPUP_PRECISION * g_cpup[taskID].allTime) / cpuCycleAll); } OsTskCycleStart(); LOS_IntRestore(intSave); return cpupRet; }
3.2.4 LOS_HistoryTaskCpuUsage
该函数获取指定任务的历史CPU占用率,和函数LOS_HistorySysCpuUsage()代码相似度高,可以参考上文对该函数的讲解。
LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR UINT32 LOS_HistoryTaskCpuUsage(UINT32 taskID, UINT16 mode) { UINT64 cpuCycleAll = 0; UINT64 cpuCycleCurTsk = 0; UINT16 loopNum, curPos; UINT16 prePos = 0; UINT32 intSave; UINT32 cpupRet = 0; if (g_cpupInitFlg == 0) { return LOS_ERRNO_CPUP_NO_INIT; } if (OS_TSK_GET_INDEX(taskID) >= g_taskMaxNum) { return LOS_ERRNO_CPUP_TSK_ID_INVALID; } if (g_cpup[taskID].cpupID != taskID) { return LOS_ERRNO_CPUP_THREAD_NO_CREATED; } if ((g_cpup[taskID].status & OS_TASK_STATUS_UNUSED) || (g_cpup[taskID].status == 0)) { return LOS_ERRNO_CPUP_THREAD_NO_CREATED; } intSave = LOS_IntLock(); OsTskCycleEnd(); OsGetPositions(mode, &curPos, &prePos); for (loopNum = 0; loopNum < g_taskMaxNum; loopNum++) { if ((g_cpup[loopNum].status & OS_TASK_STATUS_UNUSED) || (g_cpup[loopNum].status == 0)) { continue; } if (mode == CPUP_IN_1S) { cpuCycleAll += g_cpup[loopNum].historyTime[curPos] - g_cpup[loopNum].historyTime[prePos]; } else { cpuCycleAll += g_cpup[loopNum].allTime - g_cpup[loopNum].historyTime[curPos]; } } if (mode == CPUP_IN_1S) { cpuCycleCurTsk += g_cpup[taskID].historyTime[curPos] - g_cpup[taskID].historyTime[prePos]; } else { cpuCycleCurTsk += g_cpup[taskID].allTime - g_cpup[taskID].historyTime[curPos]; } if (cpuCycleAll) { cpupRet = (UINT32)((LOS_CPUP_PRECISION * cpuCycleCurTsk) / cpuCycleAll); } OsTskCycleStart(); LOS_IntRestore(intSave); return cpupRet; }
3.2.5 LOS_AllTaskCpuUsage
该函数获取全部任务的CPU占用率,获取的CPU占用率信息保存在传出参数结构体CPUP_INFO_S *cpupInfo指向的内存区域里,需要注意这个内存区域的大小需要等于sizeof(CPUP_INFO_S) * g_taskMaxNum。还需要传入时间间隔模式参数,支持10秒、1秒、小于1秒三种。
⑴处先判断CPUP是否已经初始化,如果没有初始化过,返回错误码。传出参数cpupInfo指针不能为空,否则返回错误码。⑵处调用函数OsTskCycleEnd()获取当前任务的结束时间,并计算出运行总时间。⑶处调用函数OsGetPositions()计算出历史运行时间数组索引位置。⑷处计算出各个任务的周期内运行总时间,如果时间间隔模式为1秒,取值两个历史运行时间之差,否则取值XX。⑸处设置每一个任务的状态,然后计算出每一个任务的CPU占用率。最后,调用函数OsTskCycleStart()设置新任务的CPUP统计的开始时间。
LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR UINT32 LOS_AllTaskCpuUsage(CPUP_INFO_S *cpupInfo, UINT16 mode) { UINT16 loopNum; UINT16 curPos; UINT16 prePos = 0; UINT32 intSave; UINT64 cpuCycleAll = 0; UINT64 cpuCycleCurTsk = 0; ⑴ if (g_cpupInitFlg == 0) { return LOS_ERRNO_CPUP_NO_INIT; } if (cpupInfo == NULL) { return LOS_ERRNO_CPUP_TASK_PTR_NULL; } intSave = LOS_IntLock(); ⑵ OsTskCycleEnd(); ⑶ OsGetPositions(mode, &curPos, &prePos); for (loopNum = 0; loopNum < g_taskMaxNum; loopNum++) { if ((g_cpup[loopNum].status & OS_TASK_STATUS_UNUSED) || (g_cpup[loopNum].status == 0)) { continue; } if (mode == CPUP_IN_1S) { cpuCycleAll += g_cpup[loopNum].historyTime[curPos] - g_cpup[loopNum].historyTime[prePos]; } else { cpuCycleAll += g_cpup[loopNum].allTime - g_cpup[loopNum].historyTime[curPos]; } } ⑷ for (loopNum = 0; loopNum < g_taskMaxNum; loopNum++) { if ((g_cpup[loopNum].status & OS_TASK_STATUS_UNUSED) || (g_cpup[loopNum].status == 0)) { continue; } if (mode == CPUP_IN_1S) { cpuCycleCurTsk += g_cpup[loopNum].historyTime[curPos] - g_cpup[loopNum].historyTime[prePos]; } else { cpuCycleCurTsk += g_cpup[loopNum].allTime - g_cpup[loopNum].historyTime[curPos]; } ⑸ cpupInfo[loopNum].usStatus = g_cpup[loopNum].status; if (cpuCycleAll) { cpupInfo[loopNum].uwUsage = (UINT32)((LOS_CPUP_PRECISION * cpuCycleCurTsk) / cpuCycleAll); } cpuCycleCurTsk = 0; } OsTskCycleStart(); LOS_IntRestore(intSave); return LOS_OK; }
3.2.6 LOS_CpupUsageMonitor
该函数获取历史CPU占用率并打印输出,传入参数有三个:CPU占用率类型,CPUP时间周期模式,指定的任务编号。对于任务CPU占用率,才需要指定有效的任务编号。
⑴处处理CPU占用率类型为系统CPU占用率的情况,⑵处打印使用的CPUP时间周期模式。⑶处通过调用函数LOS_HistorySysCpuUsage()获取系统历史CPU占用率,然后执行⑷打印输出CPU占用率结果,输出结果范围为[0,100]。
⑸处处理CPU占用率类型为指定任务CPU占用率的情况,首先判断下任务编号的有效性,校验任务是否创建等。⑹处打印使用的CPUP时间周期模式。⑺处通过调用函数LOS_HistoryTaskCpuUsage()获取指定任务的历史CPU占用率,然后执行⑻打印输出CPU占用率结果,输出结果范围为[0,100]。
LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR UINT32 LOS_CpupUsageMonitor(CPUP_TYPE_E type, CPUP_MODE_E mode, UINT32 taskID) { UINT32 ret; LosTaskCB *taskCB = NULL; switch (type) { ⑴ case SYS_CPU_USAGE: ⑵ if (mode == CPUP_IN_10S) { PRINTK(" SysCpuUsage in 10s: "); } else if (mode == CPUP_IN_1S) { PRINTK(" SysCpuUsage in 1s: "); } else { PRINTK(" SysCpuUsage in <1s: "); } ⑶ ret = LOS_HistorySysCpuUsage(mode); ⑷ PRINTK("%d.%d", ret / LOS_CPUP_PRECISION_MULT, ret % LOS_CPUP_PRECISION_MULT); break; ⑸ case TASK_CPU_USAGE: if (taskID > LOSCFG_BASE_CORE_TSK_LIMIT) { PRINT_ERR(" The taskid is invalid. "); return OS_ERROR; } taskCB = OS_TCB_FROM_TID(taskID); if ((taskCB->taskStatus & OS_TASK_STATUS_UNUSED)) { PRINT_ERR(" The taskid is invalid. "); return OS_ERROR; } ⑹ if (mode == CPUP_IN_10S) { PRINTK(" CPUusage of taskID %d in 10s: ", taskID); } else if (mode == CPUP_IN_1S) { PRINTK(" CPUusage of taskID %d in 1s: ", taskID); } else { PRINTK(" CPUusage of taskID %d in <1s: ", taskID); } ⑺ ret = LOS_HistoryTaskCpuUsage(taskID, mode); ⑻ PRINTK("%u.%u", ret / LOS_CPUP_PRECISION_MULT, ret % LOS_CPUP_PRECISION_MULT); break; default: PRINT_ERR(" The type is invalid. "); return OS_ERROR; } return LOS_OK; }
小结
本文带领大家一起剖析了鸿蒙轻内核的CPUP扩展模块的源代码。感谢阅读,如有任何问题、建议,都可以博客下留言给我,谢谢。