如何在运行时使用 POSIX Clock() 函数监控 CPU 利用率？

Question

有没有可靠的方法可以测量程序在运行时的 CPU 利用率？

我可能必须使用 time.h。这个想法是首先使用一些毫秒来设置空闲CPU负载（步骤A），然后设置满CPU负载（步骤B），然后启动程序并不断调用clock()。因此，我可以计算相对于步骤 A 和步骤 B 计算的 CPU 利用率，以百分比形式监控 CPU 利用率。我假设所有其他后台进程都被忽略。

但是，我不确定，如何仅使用 C89 和 POSIX 正确实现这些步骤 A 和步骤 B，例如idle() 和 full_load() 函数？

Answer 1

当您说“full_load”时，并且您只需要一个负载下的 CPU 或虚拟核心，一个简单的紧密循环就可以解决问题。当然，它不会使用芯片上的所有晶体管（即，我们不是在谈论“满载”的老化测试），但它会在 CPU 获得的预定时间片内使用，使用所有可用的时钟周期，没有系统调用，这会放弃对内核的控制，并可能导致稍后重新调度执行线程。您还可以使用带有信号处理程序的警报来退出循环。这样您就可以运行循环大约一秒的执行时间（警报的时间并不完全准确……它们很接近，但没有达到时钟周期）。

此外，对于“空闲”负载部分，您可以执行相同的操作，但使用 sigsuspend() 而不是紧密循环，这将等待警报响起。

因此，您的代码可能如下所示：

#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>
#include <stdio.h>

static sig_atomic_t alarm_flag = 1;

void alarm_handler(int arg)
{
    alarm_flag = 0;
}

clock_t idle()
{
    //setup the alarm flag
    alarm_flag = 1;

    //setup the signal masks
    sigset_t old_signal_set;
    sigset_t new_signal_set;

    sigemptyset(&old_signal_set);
    sigemptyset(&new_signal_set);

    //block the alarm signal
    sigaddset(&new_signal_set, SIGALRM);
    sigprocmask(SIG_BLOCK, &new_signal_set, &old_signal_set);

    //setup the alarm
    alarm(1);

    clock_t time_before = clock();

    //sit idle while we wait for the alarm to go off
    while(alarm_flag)
        sigsuspend(&old_signal_set);

    clock_t time_after = clock();

    //restore the old signal mask
    sigprocmask(SIG_SETMASK, &old_signal_set, NULL);

    return time_after - time_before;
}

clock_t full_load()
{
    //set the alarm signal
    alarm_flag = 1;

    //set the 1-second alarm
    alarm(1);

    clock_t time_before = clock();

    //loop until the alarm goes off
    while(alarm_flag);

    clock_t time_after = clock();

    return time_after - time_before;
}

int main()
{
    //setup the signal handler for the alarm
    sigset(SIGALRM, alarm_handler);

    //call the functions
    clock_t idle_time = idle();
    clock_t load_time = full_load();

    //... do whatever else you need to-do with this info
    printf("Idle Time: %d\n", (int)idle_time);
    printf("Load Time: %d\n", (int)load_time);

    return 0;
}

请记住，根据 POSIX 标准，每秒应该有 100 万个时钟作为 clock_t 值的时基，因此您应该看到为“full_load”返回的数字接近该数字，因为我们将“满载”大约一秒钟。空载负载应该很小（当然）。以下是我在 Mac Pro 上生成的数字：

Idle Time: 31
Load Time: 1000099

因此，就了解您可能会看到从 clock() 返回的时钟周期而言，这似乎与您正在寻找的内容有些一致。当然，我会多次运行此操作并取平均值，以便更好地指示您可能会看到的差异。

Answer 2

我认为这是由 CLOCK_VIRTUAL (BSD/HP-UX) 或 Linux 上的 CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID 覆盖的 Clock_gettime(2) 。

Answer 3

您没有指定 POSIX 的版本，但如果您使用的是 C89，它一定很旧。 POSIX.1-2001 又名 SUSv3 需要 C99，还有 POSIX.1-2008。

校准似乎没有必要；只需将返回的值与单调时间（更好，但可能不可用）或挂钟时间进行比较。对于clock()，使用CLOCKS_PER_SEC定义（如果系统支持XSI选项，则保证为一百万，但如果系统仅支持POSIX则不然）。

考虑使用 getrusage() 而不是 clock() 以获得更高的准确性和灵活性。

在早期的 POSIX 版本中，函数 getrusage() 位于 XSI 选项下；更改历史显示它是在第 4 版版本 2 (SUSv1) 中引入的，并在第 5 版 (SUSv2) 中移至基础，但其上仍然有 XSI 标记。无论如何，它很常见，因为它是 4.2BSD 的函数。

另一个选项是 times() 函数。