为什么空循环进程会导致CPU占有率很高？

Posted 2022-12-03 kerneler_

最近在写一个时间戳系统记录系统中各个模块一些重要的时间节点。获取内核上报的时间戳是通过进程轮询的方式，但是发现该进程在实际运行中CPU占用率很高，其中就是一个死循环在读取设备文件，本以为是由于读系统调用太频繁的原因。
于是又写一个测试程序，其中仅仅是个空循环。结果发现该程序的CPU占用率居然在90%多！
针对这个问题我有2个疑问，对这些疑问的理解也记录在此，与大家分享。

1 linux系统是时间片调度算法，微观上所有可运行进程都是串行，不管进程中作何操作，该进程的时间片一到就切换到下一进程，那为什么一个空循环进程CPU占用率还这么高。

要彻底搞明白这个问题，需要弄清楚2个问题
（1）linux进程的几种状态以及其切换关系。
（2）CPU占用率如何计算出来的。

linux进程的几种状态以及其切换关系在《深入学习linux内核》中有详细介绍，这里简单说下。
进程是一个动态的实体，所以他是有生命的。从创建到消亡，是一个进程的整个生命周期。在这个周期中，进程可能会经历各种不同的状态。一般来说，所有进程都要经历以下的3个状态：

就绪态。指进程已经获得所有所需的其他资源，正在申请处理处理器资源，准备开始执行。这种情况下，称进程处于就绪态。

阻塞态。指进程因为需要等待所需资源而放弃处理器（如系统调用阻塞或者sleep），或者进程本不拥有处理器，且其他资源也没有满足，从而即使得到处理器也不能开始运行。这种情况下，进程处于阻塞态。阻塞状态也称休眠状态或者等待状态。

运行态。进程得到了处理器，并不需要等待其他任何资源，正在执行的状态，称之为运行态。只有在运行态时，进程才可以使用所申请到的资源。在所有进程中同一时刻仅有一个进程处于运行态。

在Linux系统中，将各种状态进行了重新组织，由此得到了Linux进程的几个状态：
RUNNING：正在运行或者在就绪队列中等待运行的进程。也就是上面提到的运行态和就绪态进程的综合。一个进程处于RUNNING状态，并不代表他一定在被执行。由于在多任务系统中，各个就绪进程需要并发执行，所以在某个特定时刻，这些处于RUNNING状态的进程之中，只有一个能得到处理器，而其他进程必须在一个就绪队列中等待。即使是在多处理器的系统中，Linux也只能同时让一个处理器执行任务。
UNINTERRUPTABLE:不可中断阻塞状态。处于这种状态的进程正在等待队列中，当资源有效时，可由操作系统进行唤醒，否则，将一直处于等待状态。
INTERRUPTABLE：可中断阻塞状态。与不可中断阻塞状态一样，处于这种状态的进程在等待队列中，当资源有效时，可以有操作系统进行唤醒。与不可中断阻塞状态有所区别的是，处于此状态中的进程亦可被其他进程的信号唤醒。
STOPPED：挂起状态。进程被暂停，需要通过其它进程的信号才能被唤醒。导致这种状态的原因有两种。其一是受到相关信号(SIGSTOP,SIGSTP,SIGTTIN或SIGTTOU)的反应。其二是受到父进程ptrace调用的控制，而暂时将处理器交给控制进程。
ZOMBIE：僵尸状态。表示进程结束但尚未消亡的一种状态。此时进程已经结束运行并释放掉大部分资源，但尚未释放进程控制块。

使用PS命令查看进程时可以看到，“S”进程是指处于阻塞状态，“R”进程处于就绪或运行状态。
进一步理解，linux 进行进程调度时是对就绪队列中的进程进行时间片的分配。而阻塞状态和挂起状态的进程都处在阻塞队列中，只有唤醒后才能加入就绪队列中等待内核的调度。

再来看CPU占有率是如何计算出来的。
首先需要明白的是只要设备上电CPU就不会闲着，总会有某个进程占用CPU运行，linux内核启动最终会启动cpu_idle进程，在该进程中会死循环调用schedule函数进行调度，即使就绪队列中没有进程可以调度，也就是说没有进程时RUNNING状态，CPU也会一直在cpu_idle中死循环。而我们常说的CPU被占用其实是指就绪队列中有进程被调度使用CPU，CPU占有率也就是该进程使用CPU的的一个百分比。

搞明白了以上两点，再反过来看我们的问题。为什么空循环进程CPU占用率高呢。
可以想象，空循环进程中虽然没做任何事情，却没有阻塞条件（如sleep），进程一直处于RUNNING状态，也就是说即使该进程时间片到了被切换，该进程还是处于就绪队列，等待下次调度。
linux内核的调度算法是很复杂的，根据UTLK介绍，关键因素在于时间片的分配和优先级的计算，优先级越高的进程时间片分配越长。
这里咱们去繁就简，假设linux内核调度算法仅仅是等时时间片调度，也就是说1s内所有运行进程时间片是相等的，其实就是将1s时间平分给就绪队列中的所有进程。所以问题的关键就是就绪队列中有多少个进程来平分这个时间了。
对我的设备中ps命令查看进程状态，发现只有空循环进程是RUNNING状态的。
但是由于运行top命令时top也是一个RUNNING进程，因此这时的linux内核仅仅对这2个进程进行来回调度，当然空循环进程的CPU占用率高了！

2 既然CPU一直被占用，CPU负载高低如何解释，空循环进程对系统有什么影响。

想明白空循环进程问题后我就对CPU负载高低产生了疑问，既然CPU一直有进程占用，也就是说CPU其实是一直满载的，为什么还有负载高低这一说。
我的理解是这样的，对于CPU来说，它一直是按照固定的频率取指令运行，没有负载高低之说，我们所说的负载高低其实是人感官的说法，比如top查看发现CPU占用率高，系统主要应用进程（如sh）反应慢，我们就说负载高。
打个形象点的比方，CPU可以比喻为家庭机器人，可以进行做饭 洗衣服 扫地，机器人做这些工作的速度是不变的。做饭10分钟完成，但是如果要求它做饭 洗衣服 扫地同时进行，站在机器人的角度来说，没有差别，速度是一样的。但是从我们的角度来看我们的主要应用-做饭，就发现它做饭慢了，我们就认为机器人是不是负载太高啦。
因此空循环对系统的影响也就好理解了，就会导致就绪队列中无意义的进程多了，但一个空循环进程影响不明显。
就绪队列中本来只有2个进程，主应用进程在1s内可以运行0.5s，但是如果有20个进程，则只可以运行0.05s，进程的执行响应效率也就下来了。
这里可以做一个简单的试验，在我的设备系统中启动几十个空循环进程，发现系统控制台反应都慢了，这就验证了以上说法。