文章目录
 
一、 停止-等待 协议 简介
二、 "停止-等待协议" 无差错情况
三、 "停止-等待协议" 有差错情况 ( 帧丢失、帧出错 )
四、 "停止-等待协议" 有差错情况 ( ACK 确认帧丢失)
五、 "停止-等待协议" 性能分析
六、 信道利用率 公式
七、 信道利用率 计算

 

 

 

 

 
一、 停止-等待 协议 简介
 
 

 
停止-等待 协议 解决的问题 :
 
可靠传输 : 解决 由于 物理线路 , 设备故障 , 路由错误 等各种问题导致的 丢包问题 ;
流量控制 : 实现 发送端 与 接收端 的 流量控制 ;
 

 
停止-等待 协议 讨论场景 : 只考虑 一方为发送方 , 一方为接收方 ; 相当于 单工通信场景 ;
 

 
停止-等待 协议内容 : 发送方 每 发送完一个 数据帧 ( 分组 / 数据报 ) , 就停止发送 , 等待接收端确认 , 接收到 接收端 确认信息后 , 再发送下一个分组数据 ;
 

 
停止-等待 协议 应用场景 :
 
无差错情况
有差错情况
 

 

 

 

 
二、 “停止-等待协议” 无差错情况
 
 

 
"停止-等待协议" 无差错情况 :
 
发送方 0 : 发送 $0$ 帧 ;
 
接收方 0 : 接收 $0$ 帧 , 并返回 $0$ 帧 确认信息 ACK $0$ ;
 
发送方 1 : 收到 ACK $0$ 确认帧后 , 发送 $1$ 帧 ;
 
接收方 1 : 接收 $1$ 帧 , 并返回 $1$ 帧 确认信息 ACK $1$ ;
 
发送方 0 :  收到 ACK $1$ 确认帧后 , 发送 $0$ 帧 ; 注意此处的 $0$ 帧 与 上面的 只是序号相同 , 数据不同 ;
 
接收方 0 : 接收 $0$ 帧 , 并返回 $0$ 帧 确认信息 ACK $0$ ;
 

 
发送方 每发送一个数据帧 , 就停止等待 , 数据帧编号 使用 $1$ bit 编号就足够了 ;
 

 
上述过程是理想传输的情况 , 发送 与 接收 都没有差错产生 , 没有丢包 ;
 

 

 

 

 
三、 “停止-等待协议” 有差错情况 ( 帧丢失、帧出错 )
 
 

 
差错的情况 :
 
数据帧 丢失
检测到 帧 错误
 

 
"停止-等待协议" 有差错情况 :
 
发送方 0 : 发送 $0$ 帧 ;
 
接收方 0 : 接收 $0$ 帧 , 并返回 $0$ 帧 确认信息 ACK $0$ ;
 
发送方 1 : 收到 ACK $0$ 确认帧后 , 发送 $1$ 帧 ;
 
帧丢失 : 发送过程中 , 链路出现故障 , $1$ 帧 丢失 , 接收方没有收到 $1$ 帧 , 自然不会 向发送方 发送帧确认信息 ;
 
帧出错 : 接收方没有收到 $1$ 帧 , 但是校验后 , 该帧是错误帧 , 也不会 向发送方 发送帧确认信息 ;
 
发送方 1 : 超时计时器 在每次发送时 , 都会启动自动计时 , 当超时后 , 发送方会重新发送 $1$ 帧 ;
 
接收方 1 : 接收 $1$ 帧 , 并返回 $1$ 帧 确认信息 ACK $1$ ;
 

 
超时重传机制:
 
① 超时计时器 : 发送方 每次 发送 数据帧 后 , 就会自动开始计时 ;
 
② 超时时间 : 超时重发的重传时间 , 比 帧传出的 平均 往返延迟 ( RTT ) 长 ;
 
③ 保留副本 : 发送方 发送完 数据帧后 , 必须 保留副本 , 以免丢包需要重传 ;
 
④ 帧编号 : 数据帧 与 确认帧 必须编号 ;
 

 

 

 

 
四、 “停止-等待协议” 有差错情况 ( ACK 确认帧丢失)
 
 

 
"停止-等待协议" 有差错情况 :
 
发送方 0 : 发送 $0$ 帧 ;
 
接收方 0 : 接收 $0$ 帧 , 并返回 $0$ 帧 确认信息 ACK $0$ ;
 
发送方 1 : 收到 ACK $0$ 确认帧后 , 发送 $1$ 帧 ;
 
接收方 1 : 接收 $1$ 帧 , 并返回 $1$ 帧 确认信息 ACK $1$ ;
 
ACK 确认帧丢失 : 上述发出的 ACK $1$ 确认帧 丢失 , 发送方没有接收 确认帧 ;
 
ACK 确认帧延迟 : 上述发出的 ACK $1$ 确认帧 出现很大的延迟 , 发送方没有接收 确认帧 ;
 
发送方 1 : 超时计时器 在每次发送时 , 都会启动自动计时 , 当超时后 , 发送方会重新发送 $1$ 帧 ;
 
接收方 1 : 接收 $1$ 帧 , 丢弃掉重复的 $1$ 帧 , 并返回 $1$ 帧 确认信息 ACK $1$ ;
 

 
如果发送方 在 某个时刻 接收到 迟到的 ACK 确认帧 , 发现该数据帧是之前已经处理过的数据帧 , 直接丢弃该 ACK 确认帧即可 ;
 

 

 

 

 
五、 “停止-等待协议” 性能分析
 
 

 
"停止-等待协议" 性能分析 :
 
优点 : 简单
 
缺点 : 信道利用率 低 ; 
 

 

 
信道利用率 :
 
$$U=\frac{T_D}{T_D+RTT+T_A}$$
 
$U$ 是信道利用率 ;
 
$T_D$ 是发送方发送延迟 , 即发送方用了多长时间将数据帧发送完毕 ;
 
$RTT$ 是往返时延 ;
 
$T_A$ 是接收方 发送 $ACK$ 确认帧 的时延 ;
 

 
"停止-等待协议" 信道利用率很低 , 大部分事件都在 传输的延迟上 , 用于发送接收的时间很少 ;
 

 

 

 

 
六、 信道利用率 公式
 
 

 
信道利用率 是 发送方 , 在一个发送周期内 , 有效发送数据所占用的时间 , 占整个发送周期的比例 ;
 
$$信道利用率=\frac{\frac{L}{C}}{T}$$
 
$L$ 是发送的数据比特数 ;
 
$C$ 是发送方的速率 ;
 
其中 $\frac{L}{C}$ 是发送时延 ;
 
$T$ 是发送的周期 , 即从开始发送 , 到收到第一个确认帧为止的时间 ;
 

 

 
$信道吞吐率=信道利用率\times 发送方的发送速率$
 

 

 

 

 
七、 信道利用率 计算
 
 

 
信道传输速率 4000b/s , 单向传播时延 30ms , 使 “停止-等待” 协议 信道利用率达到 80% , 数据帧长度至少是多少 $?$
 

 
信道利用率公式为 :
 
$$U=\frac{T_D}{T_D+RTT+T_A}$$
 

 
先把数据单位收拾下 , 传输速率 4000 比特 / 秒 , 单向传播时延 0.03 秒 , RTT 是 0.06 秒 ; 设 数据帧长度是 $L$ 比特 ; 这里没有给出 ACK 发送延迟 , 当做 $0$ ;
 
 
$\frac{\frac{L}{4000}}{\frac{L}{4000}+0.06+0}=0.8$
 

 
分子分母都乘以 $4000$ ;
 

 
$\frac{L}{L+240}=0.8$
 
$L=0.8L+192$
 
$0.2L=192$
 
$L=960$ 单位是 比特 ;
 
数据帧的长度至少是 $960$ 比特 ;

 
 
http://blog.csdn.net/nineday/archive/2007/12/11/1928847.aspx
 
 
在Linux下，CPU利用率分为用户态，系统态和空闲态，分别表示CPU处于用户态执行的时间，系统内核执行的时间，和空闲系统进程执行的时间，三者之和就是CPU的总时间，当没有用户进程、系统进程等需要执行的时候，CPU就执行系统缺省的空闲进程。从平常的思维方式理解的话，CPU的利用率就是非空闲进程占用时间的比例，即CPU执行非空闲进程的时间/CPU总的执行时间。
 
 
在Linux系统中，CPU时间的分配信息保存在/proc/stat文件中，利用率的计算应该从这个文件中获取数据。文件的头几行记录了每个CPU的用户态，系统态，空闲态等状态下分配的时间片（单位是Jiffies），这些数据是从CPU加电到当前的累计值。常用的监控软件就是利用/proc/stat里面的这些数据来计算CPU的利用率的。
 
 
不同版本的linux /proc/stat文件内容不一样，以Linux 2.6来说，/proc/stat文件的内容如下：
 
 
 
 
 
cpu 2032004 102648 238344 167130733 758440 15159 17878 0
 
 
cpu0 1022597 63462 141826 83528451 366530 9362 15386 0
 
 
cpu1 1009407 39185 96518 83602282 391909 5796 2492 0
 
 
intr 303194010 212852371 3 0 0 11 0 0 2 1 1 0 0 3 0 11097365 0 72615114 6628960 0 179 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
 
 
ctxt 236095529
 
 
btime 1195210746
 
 
processes 401389
 
 
procs_running 1
 
 
procs_blocked 0
 
 
 
 
 
第一行的数值表示的是CPU总的使用情况，所以我们只要用第一行的数字计算就可以了。下表解析第一行各数值的含义：
 
 
 
参数
 
 
解析（单位：jiffies）
 
 
user (2032004)
 
 
从系统启动开始累计到当前时刻，用户态的CPU时间，不包含 nice值为负进程。
 
 
nice (102648)
 
 
从系统启动开始累计到当前时刻，nice值为负的进程所占用的CPU时间
 
 
system (238344)
 
 
从系统启动开始累计到当前时刻，核心时间
 
 
idle (167130733)
 
 
从系统启动开始累计到当前时刻，除IO等待时间以外其它等待时间
 
 
iowait (758440)
 
 
从系统启动开始累计到当前时刻，IO等待时间
 
 
irq (15159)
 
 
从系统启动开始累计到当前时刻，硬中断时间
 
 
softirq (17878)
 
 
从系统启动开始累计到当前时刻，软中断时间
 
 
 
 
 
 
 
 
 
因为/proc/stat中的数值都是从系统启动开始累计到当前时刻的积累值，所以需要在不同时间点t1和t2取值进行比较运算，当两个时间点的间隔较短时，就可以把这个计算结果看作是CPU的即时利用率。
 
 
 
 
 
CPU的即时利用率的计算公式：
 
 
CPU在t1到t2时间段总的使用时间 = ( user2+ nice2+ system2+ idle2+ iowait2+ irq2+ softirq2) - ( user1+ nice1+ system1+ idle1+ iowait1+ irq1+ softirq1)
 
 
CPU在t1到t2时间段空闲使用时间 = (idle2 - idle1)
 
 
CPU在t1到t2时间段即时利用率 =  1 - CPU空闲使用时间 / CPU总的使用时间
 
 
 
 
 
这些值是谁，什么时候记录的呢？
 
 
每次timer的中断就会记录一次，记录在struct cpu_usage_stat 里，实现在timer_tick ->update_process_times里。
 
 
那么它的精度就是HZ,如果HZ是100，就意味着每S记录100次。这个精度当然是不高的，而且容易出错，下面是在Documentation/cpu-load.txt中的一个例子：
 
 
  time line between two timer interrupts
 
 
 |--------------------------------------|
 
 
 ^                                    ^
 
 
 |_ user appA begins working          |
 
 
                                      |_ user appA goes to sleep
 
 
结果这个A的动作没有被记录下来，这一S有可能被记录到其他的头上。如果你做的程序正好是那个其他，你就会抱怨说，这真是一陀屎呀。
 
 
那么有没有高精度的记录呢？
 
 
有，但是要自己写，就算你用oprofile之类的，他的原理也是用timer_interrupt记录的，你可以用其他的高精度timer，但是，频繁的中断会把系统弄死。所以要自己写，假设有一个高精度的硬件counter，好像x86下的TimeStamp Counter，
 
 
在cpu_idle 里记录idle的时间，在asm_do_IRQ里记录处理irq的时间，在context_switch记录进入了那个process，以及时间，在__do_softirq里记录处理softirq的时间，把这些东西记录在一块全局数组里。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
也可以参考busybox中top的实现（在busybox/procps/top.c）
 

   
 
 Linux 下CPU、内存利用率－－计算（二）
 
 
 当需要频繁地获取，可以选择这种方法。
 
 
 1、原理
 
 
 （1）   CPU利用率
 
 
 在
 Linux
 下，
 CPU
 利用率分为用户态，系统态和空闲态，分别表示
 CPU
 处于用户态执行的时间，系统内核执行的时间，和空闲系统进程执行的时间，三者之和就是
 CPU
 的总时间，当没有用户进程、系统进程等需要执行的时候，
 CPU
 就执行系统缺省的空闲进程。从平常的思维方式理解的话，
 CPU
 的利用率就是非空闲进程占用时间的比例，即
 CPU
 执行非空闲进程的时间
  / CPU
 总的执行时间。
 
 
 在
 Linux
 系统中，
 CPU
 时间的分配信息保存在
 /proc/stat
 文件中，利用率的计算应该从这个文件中获取数据。文件的头几行记录了每个
 CPU
 的用户态，系统态，空闲态等状态下分配的时间片（单位是
 Jiffies
 ），这些数据是从
 CPU
 加电到当前的累计值。常用的监控软件就是利用
 /proc/stat
 里面的这些数据来计算
 CPU
 的利用率的。
 
 
 不同版本的
 linux /proc/stat
 文件内容不一样，以
 Linux 2.6
 来说，
 /proc/stat
 文件的内容如下：
 

   
 
 
 cpu 2032004 102648 238344 167130733 758440 15159 17878 0
 
 
 cpu0 1022597 63462 141826 83528451 366530 9362 15386 0
 
 
 cpu1 1009407 39185 96518 83602282 391909 5796 2492 0
 
 
 intr 303194010 212852371 3 0 0 11 0 0 2 1 1 0 0 3 0 11097365 0 72615114 6628960 0 179 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
 
 
 ctxt 236095529
 
 
 btime 1195210746
 
 
 processes 401389
 
 
 procs_running 1
 
 
 procs_blocked 0
 

   
 
 
 第一行的数值表示的是
 CPU
 总的使用情况，所以我们只要用第一行的数字计算就可以了。下表解析第一行各数值的含义：
 
 参数
 解析（单位：jiffies）
 user (2032004)
 从系统启动开始累计到当前时刻，用户态的CPU时间，不包含 nice值为负进程。
 nice (102648)
 从系统启动开始累计到当前时刻，nice值为负的进程所占用的CPU时间
 system (238344)
 从系统启动开始累计到当前时刻，核心时间
 idle (167130733)
 从系统启动开始累计到当前时刻，除硬盘IO等待时间以外其它等待时间
 iowait (758440)
 从系统启动开始累计到当前时刻，硬盘IO等待时间
 irq (15159)
 从系统启动开始累计到当前时刻，硬中断时间
 softirq (17878)
 从系统启动开始累计到当前时刻，软中断时间
 

   
 

   
 
 
 因为
 /proc/stat
 中的数值都是从系统启动开始累计到当前时刻的积累值，所以需要在不同时间点
 t1
 和
 t2
 取值进行比较运算，当两个时间点的间隔较短时，就可以把这个计算结果看作是
 CPU
 的即时利用率。
 

   
 
 
 CPU的即时利用率的计算公式：
 
 
 CPU
 在
 t1
 到
 t2
 时间段总的使用时间
  = ( user2+ nice2+ system2+ idle2+ iowait2+ irq2+ softirq2) - ( user1+ nice1+ system1+ idle1+ iowait1+ irq1+ softirq1)
 
 
 CPU
 在
 t1
 到
 t2
 时间段空闲使用时间
  = (idle2 - idle1)
 
 
 CPU
 在
 t1
 到
 t2
 时间段即时利用率
  =  1 - CPU
 空闲使用时间
  / CPU
 总的使用时间
 

   
 

   
 
 
 （2）内存利用率
 
 
 计算内存利用率需要从
 /proc/meminfo
 文件中取相应数据，文件内容如下：
 
 
 MemTotal:      1024008 kB
 
 
 MemFree:         18448 kB
 
 
 Buffers:         12664 kB
 
 
 Cached:         282500 kB
 
 
 SwapCached:        716 kB
 
 
 Active:         816124 kB
 
 
 Inactive:        52516 kB
 
 
 HighTotal:      122500 kB
 
 
 HighFree:          304 kB
 

   
 
 
 … …
 

   
 
 
 MemTotal
 数值表示内存总量，
 MemFree
 数值表示空余数量。
 
 
 所以内存的即时利用率计算公式：
 
 
 (MemTotal - MemFree)/ MemTotal
 

   
 

   
 
 
 2、实现
 

   
 这个例子适合于linux内核是2.6版本。Linux的版本问题请参照Linux 下CPU、内存利用率－－获取（一）
 
 
   
 
 
  
  
 
  import
   java.io.BufferedReader;
 
  import
   java.io.File;
 
  import
   java.io.FileInputStream;
 
  import
   java.io.IOException;
 
  import
   java.io.InputStreamReader;
 
  import
   java.util.StringTokenizer;
 
 
 
  public
   
  class
   MonitorUsageThread 
  extends
   Thread
  {
     
     private final int frequency;//MS
     private static final File memFile = new File("/proc/meminfo");
     private static final File statFile = new File("/proc/stat");
     private static BufferedReader brMem ;
     private static BufferedReader brStat ;
     private static InputStreamReader isr = null;
     
     private static float cpuUsage;
     private static float memUsage;
     
     private static boolean on = true;
     public MonitorUsageThread(int frequency){
         this.frequency = frequency;
     }
     
     
     public void run(){
         System.out.println("MonitorUsageThread start run ..................... on: "+on);
         String str = null;
         StringTokenizer tokenMem = null;
         int memTotal = 0;
         int memFree = 0;
         int userStart,niceStart,sysStart,idleStart,iowaitStart,hardirpStart,softirpStart,userEnd,niceEnd,sysEnd,idleEnd,iowaitEnd,hardirpEnd,softirpEnd;
         try {
             isr = new InputStreamReader(new FileInputStream(statFile));
             brStat = new BufferedReader(isr);
             StringTokenizer tokenStat = new StringTokenizer(brStat.readLine());
             tokenStat.nextToken();
             userStart = Integer.parseInt(tokenStat.nextToken());
             niceStart = Integer.parseInt(tokenStat.nextToken());
             sysStart = Integer.parseInt(tokenStat.nextToken());
             idleStart = Integer.parseInt(tokenStat.nextToken());
             iowaitStart = Integer.parseInt(tokenStat.nextToken());
             hardirpStart = Integer.parseInt(tokenStat.nextToken());
             softirpStart = Integer.parseInt(tokenStat.nextToken());
             Thread.sleep(frequency);
             while(on){
                 isr = new InputStreamReader(new FileInputStream(statFile));
                 brStat = new BufferedReader(isr);
                 tokenStat = new StringTokenizer(brStat.readLine());
                 tokenStat.nextToken();
                 userEnd = Integer.parseInt(tokenStat.nextToken());
                 niceEnd = Integer.parseInt(tokenStat.nextToken());
                 sysEnd = Integer.parseInt(tokenStat.nextToken());
                 idleEnd = Integer.parseInt(tokenStat.nextToken());
                 iowaitEnd = Integer.parseInt(tokenStat.nextToken());
                 hardirpEnd = Integer.parseInt(tokenStat.nextToken());
                 softirpEnd = Integer.parseInt(tokenStat.nextToken());
                 
 
                 int CPUEnd = userEnd+niceEnd+sysEnd+idleEnd+iowaitEnd+hardirpEnd+softirpEnd;
                 int CPUStart = userStart+niceStart+sysStart+idleStart+iowaitStart+hardirpStart+softirpStart;
                 System.out.println("idleEnd:"+idleEnd+" , idleStart:"+idleStart+"   ,CPUEnd:"+CPUEnd+" , CPUStart:"+CPUStart);
                 
                 cpuUsage = 1- (float)(idleEnd - idleStart) / (float)(CPUEnd - CPUStart);// cpu usage
 
                 //Gets memory information
                 isr = new InputStreamReader(new FileInputStream(memFile));
                 brMem = new BufferedReader(isr);
                 
                 str = brMem.readLine();
                 tokenMem = new StringTokenizer(str);
                 tokenMem.nextToken();
                 memTotal = Integer.parseInt(tokenMem.nextToken());
                 
                 str = brMem.readLine();
                 tokenMem = new StringTokenizer(str);
                 tokenMem.nextToken();
                 memFree = Integer.parseInt(tokenMem.nextToken());
                         
                 System.out.println("MemTotal:"+memTotal+" , MemFree:"+memFree);
                 memUsage = (float)(memTotal-memFree) / (float)memTotal;// memory usage 
                 
                 userStart = userEnd;
                 niceStart = niceEnd;
                 sysStart = sysEnd;
                 idleStart = idleEnd;
                 iowaitStart = iowaitEnd;
                 hardirpStart = hardirpEnd;
                 softirpStart = softirpEnd;
 
                 System.out.println("Rate of CPU usage is "+cpuUsage+" , and the memory's is "+memUsage+"  ");
                 Thread.sleep(frequency);//
             }
                 
                 
         } catch (IOException ioe) {
             System.out.println(ioe.getMessage());
         } catch (InterruptedException ie) {
             System.out.println(ie.getMessage());
         } finally{
             freeResource();
         }
 
     }
               
     
     private static void freeResource(){
         try{
             if(isr!=null)
                 isr.close();
             if(brMem!=null)
                 brMem.close();
             if(brStat!=null)
                 brStat.close();
         }catch(IOException ioe){
             System.out.println(ioe.getMessage());
         }
     }
     
     public static float getCPUUsage(){
         return cpuUsage;
     }
     
     
     public static float getMemoryUsage(){
         return memUsage;
     }
     
     public static void stopMonitor(){
         on = false;
         freeResource();
     }
     
     
     
     public static void main(String[] args){
         MonitorUsageThread thread = new MonitorUsageThread(2000);
         thread.start();
         try{
             Thread.sleep(10000);//MS
         }catch(InterruptedException ie){
             ie.printStackTrace();
         }
         System.out.println();
         System.out.println("-------------CPU usage: "+getCPUUsage());
         System.out.println("-------------Memory usage: "+getMemoryUsage());
         
         try{
             Thread.sleep(5000);//MS
         }catch(InterruptedException ie){
             ie.printStackTrace();
         }
         System.out.println();
         System.out.println("-------------CPU usage: "+getCPUUsage());
         System.out.println("-------------Memory usage: "+getMemoryUsage());
         
         
         thread.stopMonitor();
         System.exit(0);
     }
     
 }
  
 
 
 
 

proc文件系统
 
/proc文件系统是一个伪文件系统，它只存在内存当中，而不占用外存空间。它以文件系统的方式为内核与进程提供通信的接口。用户和应用程序可以通过/proc得到系统的信息，并可以改变内核的某些参数。由于系统的信息，如进程，是动态改变的，所以用户或应用程序读取/proc目录中的文件时，proc文件系统是动态从系统内核读出所需信息并提交的。
 
/proc目录中有一些以数字命名的目录，它们是进程目录。系统中当前运行的每一个进程在/proc下都对应一个以进程号为目录名的目录/proc/pid，它们是读取进程信息的接口。此外，在Linux2.6.0-test6以上的版本中/proc/pid目录中有一个task目录，/proc/pid/task目录中也有一些以该进程所拥有的线程的线程号命名的目录/proc/pid/task/tid，它们是读取线程信息的接口。
 
/proc/cpuinfo文件
 
         该文件中存放了有关 cpu的相关信息(型号，缓存大小等)。
 
[zhengangen@buick ~]$ cat /proc/cpuinfo
 
processor       : 0
 
vendor_id       : GenuineIntel
 
cpu family      : 15
 
model           : 4
 
model name      : Intel(R)Xeon(TM) CPU 3.00GHz
 
stepping        : 10
 
cpu MHz         : 3001.177
 
cache size      : 2048 KB
 
physical id     : 0
 
siblings        : 2
 
core id         : 0
 
cpu cores       : 1
 
fdiv_bug        : no
 
hlt_bug         : no
 
f00f_bug        : no
 
coma_bug        : no
 
fpu             : yes
 
fpu_exception   : yes
 
cpuid level     : 5
 
wp              : yes
 
flags           : fpu vme de psetsc msr pae mce cx8 apic mtrr pge mca cmov pat pse36 clflush dts acpi mmx fxsrsse sse2 ss ht tm pbe lm pni monitor ds_cpl cid xtpr
 
bogomips        : 6004.52
 
 
 
说明：以下只解释对我们计算Cpu使用率有用的相关参数。
 
         参数                            解释
 
processor (0)                       cpu的一个物理标识
 
 
 
结论1：可以通过该文件根据processor出现的次数统计cpu的逻辑个数(包括多核、超线程)。
 
/proc/stat文件
 
         该文件包含了所有CPU活动的信息，该文件中的所有值都是从系统启动开始累计到当前时刻。不同内核版本中该文件的格式可能不大一致，以下通过实例来说明数据该文件中各字段的含义。
 
实例数据：2.6.24-24版本上的
 
 
 
fjzag@fjzag-desktop:~$cat /proc/stat
 
cpu  38082 627 27594 89390812256 581 895 0 0
 
cpu022880 472 16855 430287 10617 576 661 0 0
 
cpu115202 154 10739 463620 1639 4 234 0 0
 
intr120053 222 2686 0 1 1 0 5 0 3 0 0 0 47302 0 0 34194 29775 0 5019 845 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
 
ctxt1434984
 
btime1252028243
 
processes8113
 
procs_running1
 
procs_blocked0
 
第一行的数值表示的是CPU总的使用情况，所以我们只要用第一行的数字计算就可以了。下表解析第一行各数值的含义：
 
参数          解析（单位：jiffies）
 
(jiffies是内核中的一个全局变量，用来记录自系统启动一来产生的节拍数，在linux中，一个节拍大致可理解为操作系统进程调度的最小时间片，不同linux内核可能值有不同，通常在1ms到10ms之间)
 
user (38082)    从系统启动开始累计到当前时刻，处于用户态的运行时间，不包含 nice值为负进程。
 
nice (627)      从系统启动开始累计到当前时刻，nice值为负的进程所占用的CPU时间
 
system (27594)  从系统启动开始累计到当前时刻，处于核心态的运行时间
 
idle (893908)   从系统启动开始累计到当前时刻，除IO等待时间以外的其它等待时间iowait (12256) 从系统启动开始累计到当前时刻，IO等待时间(since 2.5.41)
 
irq (581)           从系统启动开始累计到当前时刻，硬中断时间(since 2.6.0-test4)
 
softirq (895)      从系统启动开始累计到当前时刻，软中断时间(since2.6.0-test4)stealstolen(0)                   which is the time spent in otheroperating systems when running in a virtualized environment(since 2.6.11)
 
guest(0)                               whichis the time spent running a virtual CPU  for  guest operating systems under the control ofthe Linux kernel(since 2.6.24)
 
 
 
结论2：总的cpu时间totalCpuTime = user + nice+ system + idle + iowait + irq + softirq + stealstolen +  guest
 
/proc/<pid>/stat文件                                           
 
该文件包含了某一进程所有的活动的信息，该文件中的所有值都是从系统启动开始累计
 
到当前时刻。以下通过实例数据来说明该文件中各字段的含义。
 
 
 
[zhengangen@buick ~]# cat/proc/6873/stat
 
6873 (a.out) R 6723 6873 6723 34819 6873 8388608 77 0 0 0 41958 31 0 0 25 0 3 05882654 1409024 56 4294967295 134512640 134513720 3215579040 0 2097798 0 0 0 00 0 0 17 0 0 0
 
 
 
说明：以下只解释对我们计算Cpu使用率有用相关参数
 
参数                                                               解释
 
pid=6873                            进程号
 
utime=1587                       该任务在用户态运行的时间，单位为jiffies
 
stime=41958                      该任务在核心态运行的时间，单位为jiffies
 
cutime=0                            所有已死线程在用户态运行的时间，单位为jiffies
 
cstime=0                            所有已死在核心态运行的时间，单位为jiffies
 
 
 
结论3：进程的总Cpu时间processCpuTime = utime +stime + cutime + cstime，该值包括其所有线程的cpu时间。
 
/proc/<pid>/task/<tid>/stat文件
 
该文件包含了某一进程所有的活动的信息，该文件中的所有值都是从系统启动开始累计到当前时刻。该文件的内容格式以及各字段的含义同/proc/<pid>/stat文件。
 
         注意，该文件中的tid字段表示的不再是进程号，而是linux中的轻量级进程(lwp)，即我们通常所说的线程。
 
 
 
结论4：线程Cpu时间threadCpuTime = utime +stime
 
系统中有关进程cpu使用率的常用命令
 
ps 命令
 
通过ps命令可以查看系统中相关进程的Cpu使用率的信息。以下在linux man文档中对ps命令输出中有关cpu使用率的解释：
 
 
 
CPU usage is currentlyexpressed as the percentage of time spent running during the entire lifetime ofa process. This is not ideal, and it does not conform to the standards that psotherwise conforms to. CPU usage is unlikely to add up to exactly 100%.
 
 
 
%cpu   cpu utilization of the process in"##.#" format. It is the CPU time used                           divided by the timethe process has been running (cputime/realtime ratio),                           expressed as apercentage. It will not add up to 100% unless you are lucky.
 
 
 
结论5：ps命令算出来的cpu使用率相对于进程启动时的平均值，随着进程运行时间的增大，该值会趋向于平缓。
 
top命令
 
通过top命令可以查看系统中相关进程的实时信息（cpu使用率等）。以下是man文档中对top命令输出中有关进程cpu使用率的解释。
 
 
 
#C  -- Last used CPU (SMP)                   Anumber representing the last used processor. In a true  SMP environment  this  will likely change  frequently  since the  kernel intentionally usesweak affinity.  Also, the very act ofrunning top may break this weak affinity and cause more processes to  change CPUs  more  often (because of the extra demand for cputime).
 
 
 
%CPU  --  CPUusage                   The  task’s share ofthe elapsed CPU time since the last screen update, expressed as a percent-ageof total CPU time.  In a true SMP environment, if  Irix mode is Off, top will operate in Solaris modewhere a task’s cpu usage will be divided by the total number of CPUs. 
 
 
 
结论6：某一个线程在其运行期间其所使用的cpu可能会发生变化。
 
结论7：在多核的情况下top命令输出的cpu使用率实质是按cpu个数*100%计算的。
 
单核情况下Cpu使用率的计算
 
基本思想
 
通过读取/proc/stat 、/proc/<pid>/stat、/proc/<pid>/task/<tid>/stat以及/proc/cpuinfo这几个文件获取总的Cpu时间、进程的Cpu时间、线程的Cpu时间以及Cpu的个数的信息，然后通过一定的算法进行计算(采样两个足够短的时间间隔的Cpu快照与进程快照来计算进程的Cpu使用率)。
 
 
 
总的Cpu使用率计算
 
计算方法：
 
1、  采样两个足够短的时间间隔的Cpu快照，分别记作t1,t2，其中t1、t2的结构均为：
 
(user、nice、system、idle、iowait、irq、softirq、stealstolen、guest)的9元组;
 
2、  计算总的Cpu时间片totalCpuTime
 
a)        把第一次的所有cpu使用情况求和，得到s1;
 
b)        把第二次的所有cpu使用情况求和，得到s2;
 
c)        s2 - s1得到这个时间间隔内的所有时间片，即totalCpuTime = j2 - j1 ;
 
3、计算空闲时间idle
 
idle对应第四列的数据，用第二次的第四列- 第一次的第四列即可
 
idle=第二次的第四列- 第一次的第四列
 
6、计算cpu使用率
 
pcpu =100* (total-idle)/total
 
某一进程Cpu使用率的计算
 
计算方法：   
 
1．              采样两个足够短的时间间隔的cpu快照与进程快照，
 
a)        每一个cpu快照均为(user、nice、system、idle、iowait、irq、softirq、stealstolen、guest)的9元组;
 
b)        每一个进程快照均为 (utime、stime、cutime、cstime)的4元组；
 
2．              分别根据结论2、结论3计算出两个时刻的总的cpu时间与进程的cpu时间，分别记作：totalCpuTime1、totalCpuTime2、processCpuTime1、processCpuTime2
 
3．              计算该进程的cpu使用率pcpu = 100*(processCpuTime2 – processCpuTime1) / (totalCpuTime2 – totalCpuTime1) (按100%计算，如果是多核情况下还需乘以cpu的个数); 
 
实验数据
 
 
实验一: 监控一空循环的进程的cpu使用率。
 
 
说明：左边的数据是按以上算法得到的数据，其中采样的时间间隔与top命令刷新屏幕的时间间隔相同。
 
 
按以上方法计算得到的cpu使用率
 
 
通过top命令得到的
 
 
 
 
99.50083
 
98.333336
 
98.0
 
98.83138
 
99.0
 
99.0
 
99.83361
 
98.83527
 
98.4975
 
 
 
 
PID    USER      PR   NI   VIRT   RES   SHR   S  %CPU %MEM  TIME+  COMMAND  
 
7639 fjzag     20   0  206m  10m 7136 S   99  2.2   1:00.74 java               
 
 7639 fjzag     20   0  206m  10m 7136 S   99  2.2   1:03.71 java               
 
 7639 fjzag     20   0  206m  10m 7136 S   99  2.2   1:06.67 java               
 
 7639 fjzag     20   0  206m  10m 7136 S   99  2.2   1:09.63 java               
 
 7639 fjzag     20   0  206m  10m 7136 S   98  2.2   1:12.59 java               
 
 7639 fjzag     20   0  206m  10m 7136 S   99  2.2   1:15.55 java               
 
 7639 fjzag     20   0  206m  10m 7136 S  100  2.2   1:18.55 java               
 
 7639 fjzag     20   0  206m  10m 7136 S  100  2.2   1:21.54 java               
 
 7639 fjzag     20   0  206m  10m 7136 S   99  2.2   1:24.52 java               
 
 7639 fjzag     20   0  206m  10m 7136 S   98  2.2   1:27.46 java
 
 
 
 
 
实验二: 监控jconsole进程的cpu使用率。
 
 
说明：左边的数据是按以上算法得到的数据，其中采样的时间间隔与top命令刷新屏幕的时间间隔相同。
 
 
按以上方法计算得到的cpu使用率
 
 
通过top命令得到的
 
 
 
 
8.681135
 
12.0
 
10.350584
 
7.6539097
 
7.6539097
 
5.0
 
13.021703
 
11.0
 
8.666667
 
 
PID   USER      PR   NI  VIRT   RES   SHR  S  %CPU %MEM  TIME+  COMMAND  
 
7753 fjzag     20   0  252m  72m  22m S   10 14.4   0:18.70 jconsole           
 
 7753 fjzag     20   0  252m  72m  22m S   12 14.4   0:19.07 jconsole           
 
 7753 fjzag     20   0  252m  72m  22m S   11 14.4   0:19.39 jconsole           
 
 7753 fjzag     20   0  252m  72m  22m S    7 14.4   0:19.61 jconsole           
 
 7753 fjzag     20   0  252m  72m  22m S    7 14.4   0:19.83 jconsole           
 
 7753 fjzag     20   0  252m  72m  22m S    5 14.4   0:19.97 jconsole           
 
 7753 fjzag     20   0  252m  72m  22m S   14 14.4   0:20.38 jconsole           
 
 7753 fjzag     20   0  252m  72m  22m S   10 14.4   0:20.68 jconsole           
 
 7753 fjzag     20   0  252m  72m  22m S    9 14.5   0:20.96 jconsole
 
 
某一线程Cpu使用率的计算
 
计算方法：   
 
1．              采样两个足够短的时间隔的cpu快照与线程快照，
 
a)        每一个cpu快照均为(user、nice、system、idle、iowait、irq、softirq、stealstealon、guest)的9元组;
 
b)        每一个线程快照均为 (utime、stime)的2元组；
 
2．              分别根据结论2、结论4计算出两个时刻的总的cpu时间与线程的cpu时间，分别记作：totalCpuTime1、totalCpuTime2、threadCpuTime1、threadCpuTime2
 
3．              计算该线程的cpu使用率pcpu = 100*( threadCpuTime2– threadCpuTime1) / (totalCpuTime2– totalCpuTime1) (按100%计算，如果是多核情况下还需乘以cpu的个数); 
 
实验数据
 
 
实验一: 监控一空循环的线程的cpu使用率。
 
 
说明：左边的数据是按以上算法得到的数据，其中采样的时间间隔与top命令刷新屏幕的时间间隔相同。
 
 
按以上方法计算得到的cpu使用率
 
 
通过top命令得到的
 
 
 
 
98.83138
 
97.00997
 
96.98997
 
97.49583
 
98.169716
 
96.8386
 
97.333336
 
93.82304
 
98.66667
 
 
PID    USER      PR   NI   VIRT   RES   SHR   S  %CPU %MEM  TIME+  COMMAND  
 
7649 fjzag     20   0  206m  10m 7136 R   97  2.2   7:22.94 java               
 
 7649 fjzag     20   0  206m  10m 7136 R   97  2.2   7:25.86 java               
 
 7649 fjzag     20   0  206m  10m 7136 R   97  2.2   7:28.76 java               
 
 7649 fjzag     20   0  206m  10m 7136 R   99  2.2   7:31.72 java               
 
 7649 fjzag     20   0  206m  10m 7136 R   98  2.2   7:34.65 java               
 
 7649 fjzag     20   0  206m  10m 7136 R   96  2.2   7:37.53 java               
 
 7649 fjzag     20   0  206m  10m 7136 R   98  2.2   7:40.47 java               
 
 7649 fjzag     20   0  206m  10m 7136 R   96  2.2   7:43.34 java               
 
 7649 fjzag     20   0  206m  10m 7136 R   97  2.2   7:46.25 java
 
 
 
 
 
实验二: 监控jconsole程序某一线程的cpu使用率。
 
 
说明：左边的数据是按以上算法得到的数据，其中采样的时间间隔与top命令刷新屏幕的时间间隔相同。
 
 
按以上方法计算得到的cpu使用率
 
 
通过top命令得到的
 
 
 
 
1.3400335
 
6.644518
 
1.3333334
 
0.6677796
 
0.6666667
 
1.3333334
 
1.3333334
 
 
 PID    USER      PR   NI   VIRT   RES  SHR  S  %CPU %MEM  TIME+  COMMAND  
 
7755 fjzag     20   0  251m  72m  22m S    1 14.4   0:11.92 jconsole           
 
 7755 fjzag     20   0  251m  72m  22m S    7 14.4   0:12.12 jconsole           
 
 7755 fjzag     20   0  251m  72m  22m S    2 14.4   0:12.18 jconsole           
 
 7755 fjzag     20   0  251m  72m  22m S    0 14.4   0:12.18 jconsole           
 
 7755 fjzag     20   0  251m  72m  22m S    1 14.4   0:12.20 jconsole           
 
 7755 fjzag     20   0  251m  72m  22m S    1 14.4   0:12.24 jconsole           
 
 7755 fjzag     20   0  251m  72m  22m S    1 14.4   0:12.28 jconsole
 
 
多核情况下cpu使用率的计算                                                     
 
以下通过实验数据来说明多核情况下某一进程cpu使用率是按cpu个数*100%计算的.
 
实验一
 
描述: 
 
在双核的情况下作的一组实验，第一组数据是通过ps  -eLo pid,lwp,pcpu | grep 9140命令查看进程号为9140的进程中各线程的详细信息。第二组数据是通过 ps命令查看进程号为9140进程的cpu使用率。
 
数据一：
 
pid   lwp  %cpu
 
9140  9140  0.0
  9140  9141  0.0
  9140  9142  0.0
  9140  9143  0.0
  9140  9144  0.0
  9140  9149  0.0
  9140  9150  0.0
  9140  9151  0.0
  9140  9152  0.1
  9140  9153 96.6                         该线程是一个空循环
  9140  9154 95.9                         该线程是一个空循环
 
以上除了红色标注出来的两个线程以外,其他的线程都是后台线程。
 
数据二：
 
pid   %cpu
 
9140  193
 
实验二
 
描述：
 
在单核的情况下作的一组实验，第一组数据是通过ps  -eLo pid,lwp,pcpu | grep 6137命令查看进程号为6137的进程中各线程的详细信息。第二组数据是通过 ps命令查看进程号为6137进程的cpu使用率。
 
数据一：
 
 pid    lwp  %cpu
 
 6137 6137  0.0
 
 6137 6138  0.1
 
 6137 6143  0.0
 
 6137 6144  0.0
 
 6137 6145  0.0
 
 6137 6146  0.0
 
 6137 6147  0.0
 
 6137 6148  0.0
 
 6137 6149  0.0
 
 6137 6150 46.9                                                 空循环线程
 
 6137 6151 46.9                                                 空循环线程
 
以上除了红色标注出来的两个线程以外,其他的线程都是后台线程。
 
数据二
 
pid %cpu
 
6137 92.9
 
主要问题：
 
1.      不同内核版本/proc/stat文件格式不大一致。/proc/stat文件中第一行为总的cpu使用情况。
 
各个版本都有的4个字段: user、nice、system、idle
 
2.5.41版本新增字段：iowait
 
2.6.0-test4新增字段：irq、softirq
 
2.6.11新增字段：stealstolen：                    which is thetime spent in other operating
 
systems whenrunning in a virtualized environment
 
2.6.24新增字段：guest:                                    whichis the time spent running a virtual CPU  for  guest operating systems under the control ofthe Linux kernel
 
2．/proc/pid/task目录是Linux 2.6.0-test6之后才有的功能。
 
 
 
3．关于出现cpu使用率为负的情况，目前想到的解决方案是如果出现负值，连续采样计算cpu使用率直到为非负。
 
 
 
4.有些线程生命周期较短,可能在我们采样期间就已经死掉了.