CN101344865A

CN101344865A - 一种cpu占用率测量方法及装置

Info

Publication number: CN101344865A
Application number: CNA2008101424903A
Authority: CN
Inventors: 曾照恒; 徐军
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2008-08-15
Filing date: 2008-08-15
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2028-08-15
Also published as: CN101344865B

Abstract

本发明公开了一种CPU占用率的测量方法及装置，涉及计算机操作系统领域。本发明方法包括：利用硬件定时器产生定时中断，采样被中断函数的程序计数器记录的值并存储；根据存储的数据进行函数名解析，统计函数使用次数并分析系统各函数的执行率情况。本发明给出了更为精确的CPU占用率测量途径，为把握系统执行效率提供了更为有效的依据。

Description

一种CPU占用率测量方法及装置

技术领域

本发明涉及计算机操作系统领域，特别涉及一种CPU占用率测量方法及装置。

背景技术

在计算机操作系统中，CPU使用率是一项衡量系统性能的重要指标。传统的CPU占用率是进程(嵌入式操作系统领域也称为任务)级别的，统计的是一个进程在最近一段时间内的CPU的使用率情况，在这种统计方法中所有任务的占用率之和应该为100％不考虑操作系统本身开销的情况。通过对各个进程CPU占用率的观察，可以对系统当前的运行状态有一个大致的把握，例如某一任务进入死循环状态，那么这种故障会直接体现在该进程的CPU使用率上。程序员通过对CPU使用率的检查，可以方便的定位出哪一个进程出现了问题，使用操作系统相关的调试指令可以进一步将故障定位到具体函数。但是在实际的工程项目中，问题并不总是和上述死循环故障一样易于发现。

衡量一个软件系统的总体效率，光靠某一时段的系统进程CPU占用率并不能说明问题。当软件系统在引入了某一新模块(或功能)导致整个系统的执行效率有所下降，此时仅仅凭进程CPU占用率几乎很难发现问题的产生，因为一个进程会调用很多的函数，同一个函数也可能被很多进程所调用，所以，只有精确的获取到每个函数的CPU利用率，才能够有针对性的对CPU利用率高的函数进行优化，从而对这些函数进行优化，这样才能够迅速解决软件系统的性能瓶颈。

可见，现有技术存在一定的问题，有待进一步地改进。

发明内容

本发明目的在于提供一种CPU占用率测量方法及装置，其能提供函数级别的CPU占用率情况，为把握系统执行效率提供更为有效的依据。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种CPU占用率测量方法，该方法包括以下步骤：

A、利用硬件定时器产生定时中断，采样被中断函数的程序计数器记录的值并存储；

B、根据存储的数据进行函数名解析，统计所有函数的使用次数并得出系统各函数的执行率情况。

所述的方法，其中，所述步骤A包括以下步骤：

A1、硬件定时器产生定时中断；

A2、采样被中断函数的程序计数器记录的值，并将该值存入一全局变量；

A3、判断当前中断是否是硬件定时器产生的用来采样的定时中断，若是，则执行步骤A4；

A4、根据一缓冲数据池索引值以及该池内索引值确定的当前存储位置，将所述全局变量存入所述缓冲数据池中。

所述的方法，其中，所述步骤A还包括以下步骤：

A5、判断所述缓冲数据池内索引值是否超过该缓冲数据池的最大缓冲大小，若超过，则执行步骤A6；

A6、唤醒一用于向宿主机发送数据的发送代理进程，将所述缓冲数据池索引值发送给所述发送代理进程，并查找下一个空闲的缓冲数据池用来存放采样的数据；

A7、所述发送代理进程获取相应缓冲池索引值后，将该缓冲池数据发送到宿主机；

A8、数据发送完成后，将该缓冲数据池标记为空闲可用。

所述的方法，其中，所述步骤B包括以下步骤：

B1、所述宿主机接收所述缓冲数据池中存储的数据，并将该数据写入数据记录文件中，该数据记录文件用于记录缓冲数据池中的数据及相关进程信息。

所述的方法，其中，所述步骤B还包括以下步骤：

B2、根据函数CPU占用率查询指令，所述宿主机停止接收数据；

B3、读取版本符号表，建立基于地址大小的线性索引表；

B4、打开所述数据记录文件，对所述数据记录文件中的数据进行所属函数名解析；

B5、统计所有函数的调用计数值，并计算各函数的执行率，将所述执行率作为各函数的CPU占用率进行输出。

本发明还提供了一种CPU占用率测量装置，所述装置包括：定时中断模块，用于利用硬件定时器产生定时中断，采样被中断函数的程序计数器记录的值并存储；数据发送模块，用于将存储的数据发送到数据处理模块中；及数据处理模块，用于根据存储的数据进行函数名解析，统计所有函数的使用次数，并得出系统各函数的执行率情况。

所述的装置，其中，所述定时中断模块包括：定时中断发生单元，用于利用硬件定时器产生定时中断；及提取单元，用于采样被中断函数的程序计数器记录的值，并将该值存储在存储介质中。

所述的装置，其中，所述存储介质包括至少一个缓冲数据池，所述缓冲数据池的索引值指向所述被中断函数的程序计数器记录值的存储位置。

所述的装置，其中，所述定时中断模块还包括：一数据池维护单元，用于监测所述缓冲数据池的状态，当一缓冲数据池中存储的数据达到一预设数量时，获取该缓冲数据池的索引值，并向数据代理发送模块上报该索引值；且，所述数据代理发送模块用于根据所述索引值，将相应的缓冲数据池中存储的数据发送到所述数据处理模块。

所述的装置，其中，数据接收单元，用于接收所述缓冲数据池中存储的数据，并将该数据写入一数据记录文件中，该数据记录文件用于记录缓冲数据池中的数据及相关进程信息；及数据分析单元，用于根据函数CPU占用率查询指令，使所述数据接收单元停止接收数据，并根据基于地址大小的线性索引表，对所述数据记录文件中的数据进行所属函数名解析，统计所有函数的调用计数值，并计算各函数的执行率，将所述执行率作为各函数的CPU占用率进行输出。

有益效果：相比传统的进程CPU占用率，本发明能给出更为精确的CPU占用率测量方法，为把握系统执行效率提供更为有效的依据。本发明可以获得与各个函数名相对应的系统CPU的执行情况，这种直接与函数名相对应的CPU占用率表现方式，更加直观的表现了系统当前的运行状态，更加有利于用户发现系统的性能瓶颈的所在，便于用户对CPU利用率较高的函数进行优化，解决软件系统出现的问题，能很好地改善系统的性能。

附图说明

图1为硬件定时器的中断执行流程图；

图2为发送代理进程的执行流程图；

图3为宿主机数据接收流程示意图；

图4为宿主机对数据进行函数级CPU占有率分析的流程示意图；

图5为本发明的装置结构示意图。

具体实施方式

本发明的主要构思是，通过硬件定时器产生定时中断，对被中断函数的程序计数器记录的值(即该函数执行位置的PC值)进行提取与储存，然后根据存储结果进行函数名解析，统计所有函数的使用次数并分析得出系统各函数的执行率情况。这一方法中，可以通过建立一定时器中断执行程序来完成PC值的读取和存储，并将PC值存储到特定的缓冲数据池中，当缓冲池被写满的时候，定时器中断执行程序激活相应的发送进程，将缓冲数据池的采样值发送至PC机的相关处理单元进行数据的处理。

在对上述PC值数据进行发送处理时，还可以建立一个专门用于向宿主机(比如PC机)发送PC值数据的发送代理进程，当定时器中断执行程序中发现缓冲数据池满时，唤醒该发送代理进程，发送代理进程获取相应缓冲池索引号后，将该缓冲池数据发送到宿主机的相关处理单元中。

以下结合附图详细说明本发明技术方案的实现过程。

本发明在执行上述PC值的提取及存储过程时，可建立如图1所示的定时器中断执行程序，如下所示：

步骤110：进入中断；

步骤120：采样被中断函数的PC值，将被中断函数的PC值存入全局变量PcTemp；

步骤130：判断当前中断是不是硬件定时器产生的用来采样的中断，

如果不是进入普通中断流程，如果是进入步骤140；

步骤140：根据当前缓冲数据池索引值以及池内索引值确定当前存储位置，将PcTemp存入，缓冲数据池内索引值加1；

步骤150：判断当前缓冲池内索引值是否超过最大缓冲大小，如果不超过进入步骤170，如果超过进入步骤160；

步骤160：唤醒一用于向宿主机发送数据的发送代理进程，将所述缓冲数据池索引值发送给发送代理进程，并查找下一个空闲(free)状态的缓冲数据池用来存放之后采样的数据，设置缓冲数据池索引值，同时将缓冲数据池内索引值清零。所述发送代理进程获取相应缓冲池索引值后，将该缓冲数据池中存储的数据发送到宿主机，并在数据发送完成后，将该缓冲数据池标记为空闲可用，即空闲(free)状态。

步骤170：退出定时器中断执行程序。

上述过程中所提到的缓冲数据池可以设置在被采样嵌入式系统的内存中，可以有多个缓冲数据池，当其中一个缓冲数据池出现上述步骤150所指的情况，即被写满时，则需要唤醒发送代理进程，并且通知发送代理进程将相应的缓冲池中的数据发送给宿主机。

如图2所示，发送代理进程的流程如下：

步骤210：进程处于睡眠状态，等待被唤醒，由上述步骤160唤醒；

步骤220：获取缓冲数据池索引值(由上述定时器中断执行程序提供)，向宿主机发送该缓冲数据池采样值；

步骤230：设置该缓冲数据池为free状态，进入步骤210状态。这一步修改缓冲数据池的状态，是便于上述定时器中断执行程序能完成数据的存储工作，防止在某缓冲数据池出现写满状态时，无法调用其它的缓冲数据池。

本发明的方法在进行函数名解析及统计函数使用次数的过程中，主要可以有以下两个流程来完成。

第一，宿主机接收数据流程如图3所示，如下：

步骤310：根据上述过程上报的缓冲池采样值，创建数据记录文件，该数据记录文件用于记录缓冲数据池中的数据及相关进程信息；

步骤320：判断是否停止等待接收数据，如果否则进入步骤330，如果是则进入步骤350；

步骤330：接收相应的缓冲数据池的数据；

步骤340：将数据写入所述数据记录文件，返回步骤320；

步骤350：数据接收结束。这一过程主要是完成缓冲数据池的内容的转移。为了减少系统资源，不能建立无数个缓冲数据池，所以，只要建立充足的缓冲数据池进行循环使用即可，那么为了便于数据的统计和避免数据的丢失，将由上述图3所示的过程将缓冲数据池中的数据进行统计并存储。

第二，通过宿主机上运行的数据分析软件进行函数级CPU占有率分析的流程如图4所示，具体步骤如下：

步骤410：根据函数CPU占用率查询指令，所述宿主机停止接收数据，并读取版本符号表，建立基于地址大小的线性索引表；

步骤420：打开上述数据记录文件；

步骤430：基于二分法算法(在此仅为举例)，对数据记录文件中的数据进行所属函数名解析；

步骤440：统计所有函数的调用计数值，并对其进行快速排序；

步骤450：计算各函数的执行率，将该执行率作为各函数的CPU占用率；分析函数名及相应的CPU占用率，输出按占用率高低排名的函数名及相应的CPU占用率。

本发明主要针对的是嵌入式的软件系统，并且需要对底层中断部分代码做修改，这部分代码通常是用汇编完成的，所以针对不同的硬件平台(主要是考虑CPU类型)需要设计不同的代码，而所要完成的任务就是捕捉被中断任务的PC值。由于新增了这段代码，实际运行中，任何中断的到来，都会将PC值保存到全局变量PcTemp中，但只有是硬件定时器中断时才会将这个值添加到发送缓冲池。定时器定时长短关系到整个系统的性能，如果定时时间短，系统负荷将增大，而测量精度也相应增加，但考虑到当前嵌入式操作系统的1个调度tick的长度通常为10ms，所以，可以将定时器的长度设置在与系统调度时钟tick周期相同数量级上。

上述缓冲数据池的大小与个数应该由系统的执行性能决定，假设从定时中断唤醒发送代理进程到代理进程发送数据完毕的时间为t1，定时器定时长度为t2，单个缓冲池内所能容纳的数据个数为n，那么可以大致推导出，当缓冲池个数为2(最小值)时，须满足t1＜t2×n，只有这样才能保证不出现没有free状态的缓冲池可用的情况。在实际应用中，考虑到系统可能出现的各种复杂情况，应该将缓冲池个数预留完全充足的数量。

基于上述方法，本发明还提供了一种CPU占用率测量装置，如图5所示，所述装置包括以下三个部分：

(1)定时中断模块510，用于利用硬件定时器产生定时中断，提取被中断函数的程序计数器记录的值并存储。

如图5所示，定时中断模块510包括：定时中断发生单元511，用于利用硬件定时器产生定时中断；提取单元512，用于采样被中断函数的程序计数器记录的值，并将该值存储在存储介质540中。这里的存储介质540中包括至少一个缓冲数据池，所述缓冲数据池的索引值指向所述被中断函数的程序计数器记录值的存储位置，缓冲数据池的设定参见上述相关说明。

为了保证不丢失数据和统计采样数据，如图5所示，定时中断模块510还包括：一数据池维护单元513，用于监测所述缓冲数据池的状态，当一缓冲数据池中存储的数据达到一预设数量时，获取该缓冲数据池的索引值，并向数据代理发送模块520上报该索引值。然后，由数据代理发送模块520根据所述索引值，将相应的缓冲数据池中存储的数据发送到数据处理模块530。这里的预设数量可以是每一个缓冲数据池的最大存储量。

可见，这里的定时中断模块主要完成上述定时器中断执行程序，其利用硬件定时器产生定时中断，在中断执行程序中获取被中断函数的PC值，并保存到一个缓冲数据池中，系统维护若干相同的缓冲池，当一个缓冲池写满时，激活发送代理进程(此进程的任务由数据代理发送模块520完成)，并搜索下一个free状态的缓冲池。

(2)数据代理发送模块520，用于将存储的数据发送到所述数据处理模块530中。该模块由上述发送代理进程构成，正常情况下该进程处于睡眠状态，当定时中断模块510写满一个缓冲池时，该进程被唤醒，马上进行数据发送工作，发送完毕后将该缓冲池置为free状态，进程依旧进入睡眠状态。

(3)数据处理模块530，用于根据存储的数据进行函数名解析，统计函数使用次数，并分析系统各函数的执行率情况。如图5所示，数据处理模块530包括：数据记录文件创建单元533，用于根据所述缓冲数据池的索引值，创建用于记录所述缓冲数据池中的数据及相关进程信息的数据记录文件；数据接收单元531，用于接收所述缓冲数据池中存储的数据，并将该数据写入数据记录文件中；及数据分析单元532，用于根据用户下达的函数CPU占用率查询指令，使数据接收单元531停止接收数据，并根据基于地址大小的线性索引表，对所述数据记录文件中的数据进行所属函数名解析，统计所有函数的调用计数值，计算各函数的执行率，将所述执行率作为各函数的CPU占用率并进行输出。数据分析单元532主要实现函数名解析及函数使用次数的统计，并分析系统各函数的执行率情况，输出分析结果。

可见，这里的数据处理模块530可由运行于宿主机上的分析软件构成，主要负责根据版本符号表构建函数名索引结构，接收目标机发送过来的PC值并且对这些数据进行对应函数名解析，统计函数使用次数、执行率以及最终的CPU占用率统计输出等功能。

综上所述，本发明提供了一个函数级别的CPU占用率测量方法及其装置，其利用硬件定时器产生系统级中断，在中断入口处保存被中断函数的执行位置即PC值，当该中断为所采样的硬件定时中断时，将该PC值保存到缓冲池中，当一个缓冲池数据满时，将其池中所有数据发送到宿主机(通常为PC机)，由宿主机对这些数据进行磁盘保存，存入特定的数据记录文件中，并最终根据这些数据对照版本符号表进行统计分析，从而得出系统在一定运行时期内的函数级别CPU占用率分布。在目标系统运行一段时间后，用户可以通过本发明的方法或系统下达CPU占用率查询指令，然后根据图4所示的流程读取版本符号表建立线性索引结构，对数据记录文件中的数据进行所属函数名的分析，并根据占用率的高低由高到低排出先后，从而使用户可以对软件系统的整体执行情况有一个更为直观的精确把握，发现系统的性能瓶颈的所在。

本发明的方法及其装置测量更为精确，通过使用本发明方法对CPU利用率高的函数进行优化，能很好地改善系统的性能。

上述各具体步骤的举例说明较为具体，并不能因此而认为是对本发明的专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1、一种CPU占用率测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A包括以下步骤：

A1、硬件定时器产生定时中断；

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤A还包括以下步骤：

A7、所述发送代理进程获取相应缓冲池索引值后，将该缓冲数据池中存储的数据发送到宿主机；

A8、数据发送完成后，将该缓冲数据池标记为空闲可用。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤B包括以下步骤：

5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤B还包括以下步骤：

B3、读取版本符号表，建立基于地址大小的线性索引表；

6、一种CPU占用率测量装置，其特征在于，所述装置包括：

定时中断模块，用于利用硬件定时器产生定时中断，采样被中断函数的程序计数器记录的值并存储；

数据代理发送模块，用于将存储的数据发送到数据处理模块中；及

所述数据处理模块，用于根据存储的数据进行函数名解析，统计所有函数的使用次数，并得出系统各函数的执行率情况。

7、根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述定时中断模块包括：

定时中断发生单元，用于利用硬件定时器产生定时中断；及

提取单元，用于采样被中断函数的程序计数器记录的值，并将该值存储在存储介质中。

8、根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述存储介质包括至少一个缓冲数据池，所述缓冲数据池的索引值指向所述被中断函数的程序计数器记录值的存储位置。

9、根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述定时中断模块还包括：一数据池维护单元，用于监测所述缓冲数据池的状态，当一缓冲数据池中存储的数据达到一预设数量时，获取该缓冲数据池的索引值，并向所述数据代理发送模块上报该索引值；且，所述数据代理发送模块用于根据所述索引值，将相应的缓冲数据池中存储的数据发送到所述数据处理模块。

10、根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，所述数据处理模块包括：

数据接收单元，用于接收所述缓冲数据池中存储的数据，并将该数据写入一数据记录文件中，该数据记录文件用于记录缓冲数据池中的数据及相关进程信息；及

数据分析单元，用于根据函数CPU占用率查询指令，使所述数据接收单元停止接收数据，并根据基于地址大小的线性索引表，对所述数据记录文件中的数据进行所属函数名解析，统计所有函数的调用计数值，并计算各函数的执行率，将所述执行率作为各函数的CPU占用率进行输出。