最近要做个系统监测模块，对CPU、内存等状态进行监测。由于是C++程序，不希望调用shell命令。查了一些资料，这里做个总结。
CPU 监测
CPU 占用率
$ cat /proc/stat
cpu 776476 1721 220476 2278603 4439 0 3668 0 0 0
cpu0 97389 244 27921 284716 553 0 114 0 0 0
cpu1 95843 135 27343 286773 525 0 91 0 0 0
cpu2 95566 58 27562 285293 602 0 2110 0 0 0
...
输出的所有值都是从系统启动到当前的累计值。不同内核版本中，输出字段可能有差异。第一列为cpu名，后续各列含义如下：
| 参数 | 解析（单位：jiffies） |
|---|---|
| user(638) | 用户态的运行时间，不包含 nice值为负进程 |
| nice(0) | nice值为负的进程所占用的CPU时间 |
| system(1677) | 处于核心态的运行时间 |
| idle(868357) | 除IO等待时间以外的其它等待时间 |
| iowait(2397) | IO等待时间(since 2.5.41) |
| irq(7) | 硬中断时间(since 2.6.0-test4) |
| softirq(510) | 软中断时间(since 2.6.0-test4) |
| steal(0) | 在虚拟环境中运行时在其他操作系统上花费的时间。(Since Linux 2.6.11) |
| guest(0) | 在内核的控制下为客户操作系统运行虚拟CPU的时间。(Since Linux 2.6.24) |
jiffies是内核中的一个全局变量，记录自系统启动以来产生的节拍数。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
各列求和可以得到总的CPU时间total。由于以上值为系统启动以后的累计值，要获得瞬时CPU占用率，可以连着读取两次。那么瞬时CPU占用率即为： \(cpuRate = 1- (idle2-idle1)/(total2-total1)\)
top 命令也是通过读取/proc/stat来计算CPU状态信息的。
系统负载
首先区分下系统负载和CPU占用率。CPU占用率如上一小节所述，是CPU非空闲时间与总时间的比值。而系统负载是指特定时间内运行队列中的平均进程数。
$ cat /proc/loadavg
1.69 1.52 1.74 2/1964 57889
输出前三列分别是1、5、15分钟内的平均进程数。第四列分子为正在运行的进程数，分母是进程总数。最后一列是最近运行的进程ID号。
一般来说每个CPU的当前活动进程数不大于3那么系统的性能就是良好的。如果每个CPU的任务数大于5，那么就表明机器的性能有严重问题。 对于上面的例子来说，假设系统有8个CPU，那么其每个CPU在1分钟内的进程数为：1.69/8=0.21。
CPU 温度
cat /sys/class/thermal/thermal_zone0/temp
输出值除以1000就是摄氏度。关于Linux Thermal的更多信息见参考资料3 Linux Thermal 学习笔记
CPU 频率
读取以下三个文件，都可以获得CPU实时频率：
$ cat /proc/cpuinfo | grep MHz
$ cat /sys/devices/system/cpu/cpuX/cpufreq/cpuinfo_cur_freq
$ cat /sys/devices/system/cpu/cpuX/cpufreq/scaling_cur_freq
cpuX 中的 X 指CPU序号0，1，2，3。。。
/sys/devices/system/cpu/cpuX/cpufreq/目录下，以cpuinfo为前缀的文件代表的是CPU硬件上支持的频率，以scaling为前缀的文件代表的是可以通过CPUFreq系统用软件进行调节时所支持的频率。
第一个文件内容太多，c++程序里不调用grep，过滤比较麻烦。第二个和第三个理论上应该是一致的，只会有细微差异。但我实际执行时发现我的机子上没有第二个文件。应该新内核废弃了。查资料发现更推荐用第三个。
内存监测
$ cat /proc/meminfo
输出内容很多，主要字段含义如下：
- MemTotal：内存总数。系统从加电开始到引导完成，BIOS等要保留一些内存，内核要保留一些内存，最后剩下可供系统支配的内存就是MemTotal。这个值在系统运行期间一般是固定不变的。
- MemFree：空闲内存数。表示系统尚未使用的内存。MemUsed=MemTotal-MemFree就是已被用掉的内存。
- MemAvailable：可用内存数。系统中有些内存虽然已被使用，但这部分内存是可以回收的，比如cache/buffer、slab都有一部分可以回收，所以MemFree不能代表全部可用的内存。这部分可回收的内存加上MemFree才是系统可用的内存，即：MemAvailable≈MemFree+Buffers+Cached。它是内核使用特定的算法计算出来的，是一个估计值。
- Buffer：缓冲区内存数
- Cache：缓存区内存数
buffer与cache的区别：
- Cache解决的是低速存储的问题，就是说数据存储的地方访问速度太慢了，我们将数据从低速存储设备上缓存到高速存储设备上，让数据的读写更快点。这里的速度更多强调的是单次访问时间。
- Buffer解决的是点操作的慢速问题，就是说同样一件事，我们如果一个一个做，因为物理设备或者软件系统的特性可能很慢，但是如果我们一批一批做，可能就很快。本质上就是将点操作转换成批操作。
Cache的存在原因是对资源调用的空间局部性，因此可以把最常用的东西先放到手边，以提高访问速度。Buffer的存在原因是生产者和消费者对资源的生产/速率不一致，就像你家的垃圾桶，你平时的垃圾先扔在垃圾桶里，等垃圾桶满了再扔垃圾。更详细的分析参见知乎问题：Cache 和 Buffer 都是缓存，主要区别是什么？
磁盘监测
可以使用statfs()函数获得磁盘使用情况，具体使用方法见参考资料7 linux下利用statfs函数查看磁盘使用情况
网络监测
$ cat /proc/net/dev
Inter-| Receive | Transmit
face |bytes packets errs drop fifo frame compressed multicast|bytes packets errs drop fifo colls carrier compressed
lo: 28113128 7894 0 0 0 0 0 0 28113128 7894 0 0 0 0 0 0
wlp0s20f3: 3987327501 2971563 0 0 0 0 0 0 168990144 1148220 0 0 0 0 0 0
uengine0: 3801 59 0 0 0 0 0 17 204121 2843 0 0 0 0 0 0
vethSQQT4P: 4627 59 0 0 0 0 0 0 205871 2870 0 0 0 0 0 0
输出从第三行开始，分别是各网卡收发数据的累计值。那么间隔时间t读取两次，取差值再除以时间t便可得到当前网速。
参考资料
- linux系统/proc/stat信息与top的cup信息的联系及区别
- /proc/loadavg
- Linux Thermal 学习笔记
- Linux动态频率调节系统CPUFreq之一：概述
- Linux之网络实时检测功能
- Linux MemFree与MemAvailable的区别
- linux下利用statfs函数查看磁盘使用情况
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