Android 8.0 以后 CPU 使用率的方案研究

由于Android 8.0以后Google的权限限制，SDK再也拿不到进程CPU的实时占用率，只能拿到自己本身进程的Jiffies，而由于拿不到系统整体Jiffies的情况下，就没办法衡量CPU当前的消耗状况了，也没办法根据当前CPU状态实时做一些策略调整。因此进行深入研究以后，给出Android 8.0以后判断CPU状态的几个参考方案（非标准答案）。

方案1 - 通过单位时间汇编指令数获取CPU频率

（1）基础概念：

1）Jiffies
全局变量jiffies用来记录自系统启动以来产生的节拍的总数。启动时，内核将该变量初始化为0，此后，每次时钟中断处理程序都会增加该变量的值。一秒内时钟中断的次数等于Hz，所以jiffies一秒内增加的值也就是Hz。

2）Tick
HZ的倒数，意即timer interrupt每发生一次中断的时间。如HZ为250时，tick为4毫秒。

（2）原理：

由于我们可以控制一条汇编指令，在任意型号CPU上是都是在一个时钟周期内完成的（原子化操作），比如：

因此，在这里每一次CPU数据采样都是传循环参数10000次，也就是执行add指令130*10000次，然后我们循环执行20轮，计算出执行130*10000指令花费的最小一轮（130*10000条指令）时间min_time_s

每一条指令消耗的时间为：

而cpu频率则是cost的倒数，也就是单位时间（s）内执行cycles的数量

执行130*10000次

方案2 - 通过在代码内部执行TOP获取CPU占比

我们可以看看top命令的源码

可以看到TOP本身也是拿到/proc/stat后统计的。在这里我有一个问题也没弄明白，就是在代码内部我有权限执行top命令，此时top命令是当前进程fork出来的，应该理论上是继承了父进程的权限才对，但实际上父进程没有权限访问/proc/stat。所以本想把top的具体实现挪出来，目前只能直接驱动top命令。因此这种方案应用于实时性以及性能开销要求不高的监控程序。

方案3 - 直接看/proc/$pid/stat的Jiffies值

这种方案使用场景比较受限，用来判断当前进程的性能消耗比较准确。但是如果该设备别的应用程序导致CPU占比很高，但是自己程序的Jiffies值很小，就误以为设备不繁忙然后开了一堆线程过去，那可能设备就会挂掉。具体可以看后续的实验，在这里也给出一段参考代码：

方案4 - 读取CPU各个核的当前频率

由于CPU的频率档位是离散的，因此各个核的频率变化不是连续的，而是一个离散的值，而且由于Android为了 Linux 系统稳定运行，会对几个核锁频。那怎么计算CPU的频率呢？
有下面几个步骤：

1）拿到各个核心的当前频率

2）拿到CPU的频率档位

3）解析当前进程/线程被系统分派到哪几个核上

如果想看线程纬度的，可以执行cat /proc/$pid/task/$tid/status。

在这里需要了解一个概念叫CPU亲和性，CPU 亲和性（affinity） 就是进程要在某个给定的CPU上尽量长时间地运行而不被迁移到其他处理器的倾向性。其实Cpus_allowed或者Cpus_allowed_list都可以看出CPU的分配。比如Cpus_allowed: 0f，这里十六进制0f转换成二进制是1111，由于最低位到最高位均为1代表系统给这个进程分派的CPU是0-3；以此类推，Cpus_allowed: 20二进制是100000，因此高位在第6位，也就是分配了CPU5。

1）再算这几个核的频率使用情况

2）进程PID所在核，通过 cat /proc/$pid/task/$tid/status查看

具体计算方式可以看下面代码的注释

实验验证：

由于top的cpu比例是可以用来作为参考标准的，但由于top执行的时延，可能会导致top拿到的数据跟汇编拿到的数据时间上有偏移导致不准确，因此想到一个方案就是写一个死循环，让CPU每时每刻跑满，这样来验证一下数据获取的稳定性问题。
下面做了几组实验，看看实验数据，数据标示统一说明:

1）top Cpu值: 采用top命令获取的进程cpu占比（方案2）

2）当前进程cpu时间片累计：/proc/$pid/stat的Jiffies在时间段内的消耗的时间片（方案3）

3）当前cpu频率：使用汇编指令计算频率，1.612903168E9为1.613Ghz（方案1）

4）CPUWeightUsage：读取CPU各个核的当前频率来计算频率占用率（方案4）

实验1 - 进程内部CPU开销很小时（0%）

当CPU没有占用资源开销时，TOP值执行准确，当前进程cpu时间片累计数也很低，Process CPUWeightUsage反应的是当前这个CPU核繁忙程度，因此可以看到CPU空闲率偏高。

实验2 - 进程内部CPU开销偏大时（40%）

通过这组实验可以看出进程所在CPU开销波动很大，为什么不像top值那么准呢？
其实这个是最准确的，因为我在写进程占用程序时，是用sleep来控制CPU占用，因此呈现周期性，从0%～100%才是正常的，但是TOP指令是一个时间段内均匀的数值。另一个佐证的办法就是看当前cpu频率，可以看到通过汇编取到的整机CPU频率是很高的，基本到达了最高频率，但TOP值监控不到。

实验3 - 进程内部CPU开销很大时（100%）

在这里可以看到时间片消耗特别多，Process CPUWeightUsage跟top均能反应当前进程的性能状况

实验4 - 该设备其他应用进程CPU正常开销时（15%）

经查看，两个应用进程被系统分配到不同的CPU上，因此理论上来说，测试APP的资源占用跟实验1应该比较一致，事实上也的确如此。top跟Process CPUWeightUsage可以很好的反应当前状态。

实验5 - 该设备其他应用进程CPU开销很大时（100%）

在这个实验中，启用了一个CPU占用100%的其他应用（图中上面的进程），同时启用了测试APP（图中下面的进程）
可以看到两个进程，系统分在不同的CPU上，因此不会发生资源抢占的情况，但此时设备的性能状态是比较繁忙的。在这种情况下，top命令是检测不到的，
而CPUWeightUsage则能看出空载率不是很高，时不时会出现CPU满载的情况，但整体自身CPU影响不太大。经实测，在测试APP上也没有卡顿现象发生。

实验结论：

通过几组实验可以发现TOP整体来说是比较准确的，但是耗时太大，资源消耗也大；汇编指令方案并不能很好的反应当前应用APP所在CPU核心的繁忙程度，但可以反应整机CPU繁忙程度；Process CPUWeightUsage可以基本上可以实时反应当前设备以及进程所在CPU核的繁忙程度。

综合来说方案4的场景覆盖能力比较强，因此建议用方案4结合方案3一起综合评价:

1）当Process CPUWeightUsage使用率频繁在80%以上时（5次有3次），可以认定为高繁忙状态；

2）当Process CPUWeightUsage使用率频繁在50%～80%之间时，可以认定为普通状态；

3）当Process CPUWeightUsage使用率有较多次出现0%的情况或者50%以下较多时，可以多分配一些任务，CPU基本上比较空闲。

此外需要说明的是：

（1）使用CPU频率的方式来评估设备以及程序繁忙程度，只能用与以前不一样的惯性思维去做。原来CPU可能在占用40%左右，发热就很明显了，而用频率监控的方案，由于CPU自身的调节机制，频率无时无刻都在改变，因此，我们需要看CPU低频跟高频比例，当CPU处于低频状态多，那就可以多分配任务，当CPU处在高频状态多，那就少分配任务。另外还可以结合进程单位时间消耗的时间片增长率变化来评估自身APP是不是处于任务过多的状态。
（2）尽量不要以CPU绝对占用率来做任务分派，只要评估执行任务执行时间可以在较短的时间内完成，不出现死循环的情况，一般CPU都有自己的策略方案，例如interactive或者ondemand等，都会根据当前任务自动调整。
（3）有时候可能自己进程什么事情都没干，但有可能出现测试频率很高的情况，因为CPU的核不一定只跑当前应用，还有很多其他任务需要执行，尤其是当系统将应用分派到一个大核上时，这种波动上下限会更多。

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