來源：公衆號【魚鷹談單片機】
作者：魚鷹Osprey
ID ：emOsprey
這篇筆記有如下內容：
1、爲什麼需要計算各個線程的CPU使用率？
2、該如何計算線程CPU使用率？
3、FreeRTOS線程計算的弊端？如何打破 FreeRTOS 線程計算方式的時間限制？
4、關鍵代碼介紹。
上次介紹瞭如何計算整個系統的CPU使用率：
但是卻沒有介紹該如何計算每個線程（任務）的CPU使用率。
爲什麼要計算線程CPU使用率？
首先要問的是，爲什麼要計算線程的CPU使用率，有啥用？
我們知道系統的CPU使用率關注的是整個系統的使用情況，使用率越低，表示越能更及時的響應外部情況，整個系統的性能也會越好。
但這是從系統整體考量的，並不能反映單個線程的執行情況。
比如雖然整體的CPU使用率是30%，但是有一個線程佔據了25%的使用率，一個線程使用率是5%，那麼你肯定會想，爲啥這個線程需要佔用這麼高的CPU使用率，是不是代碼寫的有問題，是不是代碼可以優化一下？
當系統運行時，如果你能實時觀察各個線程的CPU使用率，那麼你就能知道平時這個線程的CPU使用情況是怎樣的，爲什麼後來又高那麼多，那麼你就可以由此分析出這個線程可能出現了問題，也就可以針對性的進行檢查了。
這點對於合作開發的項目更是明顯，很多時候因爲有些線程的代碼不是自己寫的，所以根本不知道代碼執行情況，一旦系統出現問題，那麼可能就是互相甩鍋了。
而當計算了線程的CPU使用率，一旦發現某個線程執行異常，那麼就能交給負責的人去查看了。
所以說，使用操作系統的項目是非常有必要計算各個線程（任務）的CPU使用率的。
就好比你的電腦，風扇嗡嗡響（CPU高負荷運行），如果只有一個系統CPU使用率，發現高達90%，但是你卻根本不知道爲什麼這麼高，所以只能重啓。
而一旦有了進程CPU使用率，查看一下哪個進程CPU使用率高，把對應的進程關閉就行了，根本不需要重啓電腦。
如何計算線程CPU使用率？
那麼現在就來看看該如何計算各個線程的CPU使用率。
從前面的筆記，我們其實也可以猜測該如何計算，無非就是獲取每個線程的執行時間罷了。
比如，1秒時間內，空閒任務執行700毫秒，任務1執行200毫秒，任務2執行100毫秒，那麼各個任務的CPU使用率分別是 70%、20%、10%。
以前計算系統的CPU使用率的時候，採用了軟件方法計算空閒任務的運行時間，這必然是不夠準確的，所以最好的方式是採用硬件計時。
因爲魚鷹採用STM32F103進行測試，所以使用DWT外設進行精確計時，不過麻煩的是，在KEIL 軟件仿真情況下，DWT外設是無法工作的，所以如果要測試的話，必須使用硬件仿真的方式，不過如果真要KEIL軟件仿真的話，也不是沒有辦法，就是使用硬件定時器，這個按下不表。
畢竟，DWT外設的功能在這裏說白了也就是個定時器而已。
既然要獲取線程的執行時間，關鍵一點就是，我們要知道操作系統什麼時候會切換到某一個線程運行，什麼時候又會從這個線程切出，到另一個線程執行呢？
這個關鍵還是在系統內置的鉤子函數。上次的筆記魚鷹介紹過空閒鉤子函數，今天介紹另一個鉤子，任務切換鉤子函數。
這個鉤子函數的特點就是，每當系統需要切換到下一個任務時，就會先執行這個函數。這個函數一般有兩個參數，當前任務和即將切換的任務。
只要設置任務切換的鉤子函數，並且有時間戳，那麼計算一個任務的執行時間也就不那麼困難了。
比如，操作系統在時刻12345 ms 切換到空閒任務執行，突然一個任務就緒，開始準備執行，所以在時刻12445切換到那個就緒任務執行，那麼空閒任務的執行時間我們也就可以準確計算出來了。
12445 – 12345 = 100 ms
也就是說，這一次空閒任務執行了 100 毫秒。
如果我們要計算單位時間（比如1秒內）空閒任務的執行時間，我們只要在每次運行到空閒任務時累計時間即可。
比如1秒內，空閒任務執行了 5 次，分別是 10、200、100、200、50，累計時間爲
10 + 200 + 100 + 200 + 50 = 560毫秒
由此，可計算空閒任務的CPU使用率爲 56%，從而可計算出系統的CPU使用率是44%。
是的，通過線程的CPU使用率方法，我們其實也可以計算整個系統的CPU使用率。而且這種計算方式比前面所說的計算方法更準確，更科學。
前面採用時間戳進行計算，但是時間戳是會溢出的，那個時候，你的時間計算還是準確的嗎？
FreeRTOS線程計算限制？
現在魚鷹就來說說第三個問題，FreeRTOS線程計算的弊端？如何打破 FreeRTOS 線程計算方式的時間限制？
從網上查找FreeRTOS任務CPU計算相關的資料，可以得到以下信息：
1、需要開一個定時器，這個定時器中斷頻率是操作系統時鐘的十幾倍（爲了保證計算精度）。
2、一個64 位的變量在定時器自加更新，一旦變量溢出，時間計算就會出現問題。
（相關細節可查看安富萊教程）
第一個問題會導致系統性能下降（中斷頻率太高，一般是微秒級別的），而第二個問題導致在一段時間內（小時級別）線程CPU使用率計算準確，超出時間後，計算會有問題，所以教程中不建議在正式版本加入此功能。
第一個問題其實很好解決，就是使用硬件定時器，不再由CPU去更新時間，這樣不會佔用CPU時間，第二個問題其實也非常好解決，就是通過《延時功能進化論(合集)》的方式解決溢出問題，這裏不再展開說其中的奧妙。
任務切換鉤子函數的實現
總之，魚鷹接下來的實現方式解決了以上兩個痛點，即使無限執行下去，也不會影響到計算精度問題，唯一對系統產生的一點影響，只有在任務切換時消耗的一點計算時間（微秒級別）。
那麼先上任務切換鉤子函數關鍵實現代碼（RT-Thread）：
void thread_stats_scheduler_hook(struct rt_thread *from, struct rt_thread *to)
{
static uint32_t schedule_last_time;
uint32_t time;
time = get_curr_time();
from->user_data += (time - schedule_last_time);
schedule_last_time = time;
}
如何將這個函數註冊到操作系統中被系統調用呢？
通過這個函數即可：
那麼現在來分析這個鉤子函數實現：
一個靜態變量，用於記錄切換時的時間戳。
每次任務開始切換時，更新這個時間戳，同時累積時間，這個時間保存在當前任務的user_data裏面。
難理解？看下圖就清楚了。
假設系統調度是從任務1切換到任務2，即from爲任務1，to爲任務2，此時獲取的時間戳爲 T1。
上一次的時間戳我們已經通過靜態變量保留了，這裏爲T0，那麼T1-T0就是from任務即任務1在本次運行的時間，只要下次運行任務1時繼續不斷的累積這個時間，那麼就可以得到任務1的總運行時間。
任務2同理。
當然我們不可能一直累積下去，不然肯定會溢出，所以隔一段時間就需要清零，這個時間其實就是線程CPU計算的週期。
這裏還有一個函數沒有說，就是 get_curr_time()，在這裏使用DWT，爲了可以重新實現該函數，魚鷹使用了弱屬性 weak（關於這個看參考：《困惑多年，爲什麼 printf 可以重定向？ 》）。
__weak
uint32_t get_curr_time()
{
return DWT->CYCCNT; // don't use the function rt_tick_get()
}
這裏可以看到有個註釋，不要使用 rt_tick_get 函數，爲啥？
精度太低，有些任務本來執行了的，但是因爲執行時間小於操作系統的時鐘（比如1毫秒），那麼就無法累積時間了，那麼即使這個任務運行再多，時間累積也爲 0，這肯定是我們不希望看到的。
然後再說一個點，爲了簡化代碼（鉤子函數代碼只有短短几行），魚鷹這樣的實現是有兩個問題的。
1、首次運行計算有誤，因爲靜態變量應該在運行任務之前就初始化的（不應該初始化爲 0），而鉤子函數是在任務運行之後才調用的，所以從開機以來的時間被累加到第一個運行任務中了，這肯定是有問題的，不過後面隨着系統的運行，靜態變量被持續更新，就不會再出現這個問題了。
2、爲了減少修改，魚鷹把線程的use_data當成一個變量使用了，實際上這個變量的功能應該是存儲線程私有變量地址的，但是因爲魚鷹懶得修改太多代碼，所以直接拿來用了。正因爲如此，所以魚鷹添加線程CPU計算時，只要修改很少的代碼就可以了。
線程CPU的計算
目前我們已經能夠通過鉤子函數獲取各個線程的CPU執行時間，現在就看該如何計算了。
爲了計算各個線程的CPU使用率，我們需要確定計算週期，這裏我們可以設置1秒計算一次。
其次，我們需要確定在哪個任務執行計算。
原理上來說，可以是系統中的任何一個任務，但是爲了減少對系統的干擾，可以將計算工作放到優先級比較低的任務中進行，比如空閒任務。
現在，看看函數是如何實現的：
// can call the function 1 s (max 60s when stm32f1xx because of dwt)
void thread_cal_usage(thread_run_info_def *run_info)
{
static uint32_t total_time_last;
uint32_t time, total_time;
struct rt_list_node *node;
struct rt_list_node *list;
struct rt_thread *thread;
uint32_t i;
rt_enter_critical(); // 關閉系統調度，防止在計算過程中更新線程時間，影響計算
time = get_curr_time(); // 獲取當前時間戳
total_time = time - total_time_last; // 計算運行總時間
total_time_last = time; // 更新時間
list = &(rt_object_get_information(RT_Object_Class_Thread)->object_list); // 獲取線程列表指針
// 搜索類別
for(i = 0, node = list->next; (node != list) && i < THREAD_NBR_MAX; node = node->next, i++){
thread = rt_list_entry(node, struct rt_thread, list); // 獲取線程地址
run_info[i].name = thread->name; // 保存線程名
run_info[i].time = thread->user_data; // 保存線程執行時間
thread->user_data = 0; // 清除線程執行時間
}
rt_exit_critical();// 開啓系統調度
// 計算各個線程的 CPU 使用率
total_time /= 100;
if(total_time > 0){
for(uint32_t j = i, i = 0; i < j; i++)
{
run_info[i].usage = run_info[i].time / total_time;
}
}
}
註釋已經很詳盡了，所以不多做討論。主要說以下幾點：
1、爲什麼需要關閉調度器，可以使用關中斷嗎？
關調度器是爲了防止在獲取各個線程執行時間時，因爲系統調度而導致執行時間被更新，從而導致計算有誤，所以需要關閉調度器。
那麼爲什麼不使用關中斷的方式呢？沒有必要。一旦關中斷，那麼中斷就無法響應了，所以在可以關調度器的情況下滿足要求，就不應該關中斷。
2、爲什麼分兩步計算，爲什麼不將最終的計算放在第一個循環中執行呢？
節省時間，爲了儘量減少關調度器的時間，能省一點是一點。畢竟只要能獲取到關鍵信息，啥時候計算都一樣。
3、因爲線程CPU計算週期是自動計算的，所以，計算週期其實就是該函數的調用週期，即2秒調用一次，那麼線程CPU計算週期就是2秒，但是需要注意的是，調用週期必須小於定時器的溢出時間，即當你使用 DWT 時，調用週期應該在 60 秒以下（72 M 系統時鐘），否則計算是有問題的。
現在我們已經算是完成了線程CPU計算問題，但爲了使用方便，我們需要把它打印出來，或者把這些信息字符串化：
void thread_stats_print(void)
{
thread_run_info_def run_info[THREAD_NBR_MAX] = {0};
thread_run_info_def *p_info;
thread_cal_usage(run_info);
rt_kprintf("thread\t\t\ttime\t usage\n");
for(uint32_t i = 0; i < THREAD_NBR_MAX; i++)
{
p_info = &run_info[i];
if(p_info->name != NULL)
{
if(p_info->usage > 0) // CPU 使用率大於 1 %
{
rt_kprintf("%-16s\t%u\t%2u%%\n", p_info->name,
(uint32_t)p_info->time,
(uint32_t)p_info->usage);
}
else
{
rt_kprintf("%-16s\t%u\t<1%%\n", p_info->name,
(uint32_t)p_info->time,
(uint32_t)p_info->usage);
}
}
else
{
break;
}
}
}
這裏將線程名、線程執行時間、線程使用率都打印出來了，但是需要注意的是，這裏的time 時間單位是定時器的單位，而不是微秒、毫秒，比如如果使用 DWT，那麼單位就是 1/72 微秒，即如果 time 值爲 1000，那麼換算到微秒，應該是 1000/72 秒，當然了，你也可以在打印的同時就把時間換算一下，這個自由發揮就好。
最後，魚鷹將代碼提交到了 RT-Thread 官方工程裏面，這是魚鷹第一次使用 Git 提交開源項目（操作不熟練，還是上網搜的教程），也不知道最後合併了沒有。
如果對完整代碼感興趣的，也可以在後臺回覆關鍵字領取。
推薦閱讀：
-THE END-
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