深度解读鸿蒙轻内核CPU占用率
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components\cpup\los_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; /**< 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 . */
} CPUP_INFO_S; 1.2 CPUP枚举定义
CPUP头文件components\cpup\los_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kernel\src\los_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);
⑴g_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);
⑵g_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;
⑴if (g_cpupInitFlg == 0) {
return;
}
⑵taskID = g_losTask.newTask->taskID;
⑶g_cpup.cpupID = taskID;
g_cpup.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;
⑴if (g_cpupInitFlg == 0) {
return;
}
⑵taskID = g_losTask.runTask->taskID;
⑶if (g_cpup.startTime == 0) {
return;
}
⑷cpuCycle = LOS_SysCycleGet();
⑸if (cpuCycle < g_cpup.startTime) {
cpuCycle += g_cyclesPerTick;
}
⑹g_cpup.allTime += (cpuCycle - g_cpup.startTime);
g_cpup.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;
⑴if (g_cpupInitFlg == 0) {
return;
}
⑵taskID = g_losTask.runTask->taskID;
cpuCycle = LOS_SysCycleGet();
⑶if (g_cpup.startTime != 0) {
if (cpuCycle < g_cpup.startTime) {
cpuCycle += g_cyclesPerTick;
}
g_cpup.allTime += (cpuCycle - g_cpup.startTime);
g_cpup.startTime = 0;
}
⑷taskID = g_losTask.newTask->taskID;
⑸g_cpup.cpupID = taskID;
g_cpup.startTime = cpuCycle;
⑹if ((cpuCycle - g_lastRecordTime) > OS_CPUP_RECORD_PERIOD) {
g_lastRecordTime = cpuCycle;
for (loopNum = 0; loopNum < g_taskMaxNum; loopNum++) {
⑺ g_cpup.historyTime = g_cpup.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;
⑴curPos = g_hisPos;
⑵if (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。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)
{
UINT64cpuCycleAll = 0;
UINT32cpupRet = 0;
UINT16loopNum;
UINT32 intSave;
⑴if (g_cpupInitFlg == 0) {
return LOS_ERRNO_CPUP_NO_INIT;
}
intSave = LOS_IntLock();
⑵OsTskCycleEnd();
⑶for (loopNum = 0; loopNum < g_taskMaxNum; loopNum++) {
cpuCycleAll += g_cpup.allTime;
}
⑷if (cpuCycleAll) {
cpupRet = LOS_CPUP_PRECISION -(UINT32)((LOS_CPUP_PRECISION *
g_cpup.allTime) / cpuCycleAll);
}
⑸OsTskCycleStart();
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)
{
UINT64cpuCycleAll = 0;
UINT64idleCycleAll = 0;
UINT32cpupRet = 0;
UINT16loopNum;
UINT16curPos;
UINT16prePos = 0;
UINT32 intSave;
⑴if (g_cpupInitFlg == 0) {
return LOS_ERRNO_CPUP_NO_INIT;
}
// get end time of current task
intSave = LOS_IntLock();
⑵OsTskCycleEnd();
⑶OsGetPositions(mode, &curPos, &prePos);
for (loopNum = 0; loopNum < g_taskMaxNum; loopNum++) {
⑷ if (mode == CPUP_IN_1S) {
cpuCycleAll += g_cpup.historyTime - g_cpup.historyTime;
} else {
cpuCycleAll += g_cpup.allTime - g_cpup.historyTime;
}
}
⑸if (mode == CPUP_IN_1S) {
idleCycleAll += g_cpup.historyTime -
g_cpup.historyTime;
} else {
idleCycleAll += g_cpup.allTime - g_cpup.historyTime;
}
⑹if (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)
{
UINT64cpuCycleAll = 0;
UINT16loopNum;
UINT32 intSave;
UINT32cpupRet = 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.cpupID != taskID) {
return LOS_ERRNO_CPUP_THREAD_NO_CREATED;
}
if ((g_cpup.status & OS_TASK_STATUS_UNUSED) || (g_cpup.status == 0)) {
return LOS_ERRNO_CPUP_THREAD_NO_CREATED;
}
intSave = LOS_IntLock();
OsTskCycleEnd();
for (loopNum = 0; loopNum < g_taskMaxNum; loopNum++) {
if ((g_cpup.status & OS_TASK_STATUS_UNUSED) || (g_cpup.status == 0)) {
continue;
}
cpuCycleAll += g_cpup.allTime;
}
if (cpuCycleAll) {
cpupRet = (UINT32)((LOS_CPUP_PRECISION * g_cpup.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)
{
UINT64cpuCycleAll = 0;
UINT64cpuCycleCurTsk = 0;
UINT16loopNum, curPos;
UINT16prePos = 0;
UINT32 intSave;
UINT32cpupRet = 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.cpupID != taskID) {
return LOS_ERRNO_CPUP_THREAD_NO_CREATED;
}
if ((g_cpup.status & OS_TASK_STATUS_UNUSED) || (g_cpup.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.status & OS_TASK_STATUS_UNUSED) || (g_cpup.status == 0)) {
continue;
}
if (mode == CPUP_IN_1S) {
cpuCycleAll += g_cpup.historyTime - g_cpup.historyTime;
} else {
cpuCycleAll += g_cpup.allTime - g_cpup.historyTime;
}
}
if (mode == CPUP_IN_1S) {
cpuCycleCurTsk += g_cpup.historyTime - g_cpup.historyTime;
} else {
cpuCycleCurTsk += g_cpup.allTime - g_cpup.historyTime;
}
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)
{
UINT16loopNum;
UINT16curPos;
UINT16prePos = 0;
UINT32 intSave;
UINT64cpuCycleAll = 0;
UINT64cpuCycleCurTsk = 0;
⑴if (g_cpupInitFlg == 0) {
returnLOS_ERRNO_CPUP_NO_INIT;
}
if (cpupInfo == NULL) {
return LOS_ERRNO_CPUP_TASK_PTR_NULL;
}
intSave = LOS_IntLock();
⑵OsTskCycleEnd();
⑶OsGetPositions(mode, &curPos, &prePos);
for (loopNum = 0; loopNum < g_taskMaxNum; loopNum++) {
if ((g_cpup.status & OS_TASK_STATUS_UNUSED) ||
(g_cpup.status == 0)) {
continue;
}
if (mode == CPUP_IN_1S) {
cpuCycleAll += g_cpup.historyTime - g_cpup.historyTime;
} else {
cpuCycleAll += g_cpup.allTime - g_cpup.historyTime;
}
}
⑷for (loopNum = 0; loopNum < g_taskMaxNum; loopNum++) {
if ((g_cpup.status & OS_TASK_STATUS_UNUSED) ||
(g_cpup.status == 0)) {
continue;
}
if (mode == CPUP_IN_1S) {
cpuCycleCurTsk += g_cpup.historyTime - g_cpup.historyTime;
} else {
cpuCycleCurTsk += g_cpup.allTime - g_cpup.historyTime;
}
⑸ cpupInfo.usStatus = g_cpup.status;
if (cpuCycleAll) {
cpupInfo.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。
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。
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("\nSysCpuUsage in 10s: ");
} else if (mode == CPUP_IN_1S) {
PRINTK("\nSysCpuUsage in 1s: ");
} else {
PRINTK("\nSysCpuUsage 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("\nThe taskid is invalid.\n");
return OS_ERROR;
}
taskCB = OS_TCB_FROM_TID(taskID);
if ((taskCB->taskStatus & OS_TASK_STATUS_UNUSED)) {
PRINT_ERR("\nThe taskid is invalid.\n");
return OS_ERROR;
}
⑹ if (mode == CPUP_IN_10S) {
PRINTK("\nCPUusage of taskID %d in 10s: ", taskID);
} else if (mode == CPUP_IN_1S) {
PRINTK("\nCPUusage of taskID %d in 1s: ", taskID);
} else {
PRINTK("\nCPUusage 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("\nThe type is invalid.\n");
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。
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文档来源：https://my.oschina.net/u/4526289/blog/5193910
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