來源：公眾號【魚鷹談單片機】
作者：魚鷹Osprey
ID ??：emOsprey
這篇筆記有如下內(nèi)容：
1、為什么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(guān)鍵代碼介紹。

上次介紹了如何計算整個系統(tǒng)的CPU使用率：《單片機里面的CPU使用率是什么鬼？》《實操RT-Thread系統(tǒng)CPU利用率功能添加》但是卻沒有介紹該如何計算每個線程（任務）的CPU使用率。
為什么要計算線程CPU使用率？
首先要問的是，為什么要計算線程的CPU使用率，有啥用？我們知道系統(tǒng)的CPU使用率關(guān)注的是整個系統(tǒng)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(tǒng)的性能也會越好。但這是從系統(tǒng)整體考量的，并不能反映單個線程的執(zhí)行情況。比如雖然整體的CPU使用率是30%，但是有一個線程占據(jù)了25%的使用率，一個線程使用率是5%，那么你肯定會想，為啥這個線程需要占用這么高的CPU使用率，是不是代碼寫的有問題，是不是代碼可以優(yōu)化一下？當系統(tǒng)運行時，如果你能實時觀察各個線程的CPU使用率，那么你就能知道平時這個線程的CPU使用情況是怎樣的，為什么后來又高那么多，那么你就可以由此分析出這個線程可能出現(xiàn)了問題，也就可以針對性的進行檢查了。這點對于合作開發(fā)的項目更是明顯，很多時候因為有些線程的代碼不是自己寫的，所以根本不知道代碼執(zhí)行情況，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)問題，那么可能就是互相甩鍋了。而當計算了線程的CPU使用率，一旦發(fā)現(xiàn)某個線程執(zhí)行異常，那么就能交給負責的人去查看了。所以說，使用操作系統(tǒng)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(tǒng)CPU使用率，發(fā)現(xiàn)高達90%，但是你卻根本不知道為什么這么高，所以只能重啟。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(guān)閉就行了，根本不需要重啟電腦。

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如何計算線程CPU使用率？
那么現(xiàn)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(zhí)行時間罷了。比如，1秒時間內(nèi)，空閑任務執(zhí)行700毫秒，任務1執(zhí)行200毫秒，任務2執(zhí)行100毫秒，那么各個任務的CPU使用率分別是 70%、20%、10%。以前計算系統(tǒng)的CPU使用率的時候，采用了軟件方法計算空閑任務的運行時間，這必然是不夠準確的，所以最好的方式是采用硬件計時。因為魚鷹采用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外設的功能在這里說白了也就是個定時器而已。既然要獲取線程的執(zhí)行時間，關(guān)鍵一點就是，我們要知道操作系統(tǒng)什么時候會切換到某一個線程運行，什么時候又會從這個線程切出，到另一個線程執(zhí)行呢？這個關(guān)鍵還是在系統(tǒng)內(nèi)置的鉤子函數(shù)。上次的筆記魚鷹介紹過空閑鉤子函數(shù)，今天介紹另一個鉤子，任務切換鉤子函數(shù)。這個鉤子函數(shù)的特點就是，每當系統(tǒng)需要切換到下一個任務時，就會先執(zhí)行這個函數(shù)。這個函數(shù)一般有兩個參數(shù)，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(shù)，并且有時間戳，那么計算一個任務的執(zhí)行時間也就不那么困難了。比如，操作系統(tǒng)在時刻12345 ms 切換到空閑任務執(zhí)行，突然一個任務就緒，開始準備執(zhí)行，所以在時刻12445切換到那個就緒任務執(zhí)行，那么空閑任務的執(zhí)行時間我們也就可以準確計算出來了。12445 – 12345 = 100 ms也就是說，這一次空閑任務執(zhí)行了 100 毫秒。如果我們要計算單位時間（比如1秒內(nèi)）空閑任務的執(zhí)行時間，我們只要在每次運行到空閑任務時累計時間即可。比如1秒內(nèi)，空閑任務執(zhí)行了 5 次，分別是 10、200、100、200、50，累計時間為10 200 100 200 50 = 560毫秒由此，可計算空閑任務的CPU使用率為 56%，從而可計算出系統(tǒng)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(tǒng)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。前面采用時間戳進行計算，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(xiàn)在魚鷹就來說說第三個問題，F(xiàn)reeRTOS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(wǎng)上查找FreeRTOS任務CPU計算相關(guān)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(tǒng)時鐘的十幾倍（為了保證計算精度）。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(xiàn)問題。（相關(guān)細節(jié)可查看安富萊教程）第一個問題會導致系統(tǒng)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(nèi)（小時級別）線程CPU使用率計算準確，超出時間后，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，這樣不會占用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，這里不再展開說其中的奧妙。
任務切換鉤子函數(shù)的實現(xiàn)總之，魚鷹接下來的實現(xiàn)方式解決了以上兩個痛點，即使無限執(zhí)行下去，也不會影響到計算精度問題，唯一對系統(tǒng)產(chǎn)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）。那么先上任務切換鉤子函數(shù)關(guān)鍵實現(xiàn)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(shù)注冊到操作系統(tǒng)中被系統(tǒng)調(diào)用呢？通過這個函數(shù)即可：那么現(xiàn)在來分析這個鉤子函數(shù)實現(xiàn)：一個靜態(tài)變量，用于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里面。難理解？看下圖就清楚了。假設系統(tǒng)調(diào)度是從任務1切換到任務2，即from為任務1，to為任務2，此時獲取的時間戳為 T1。上一次的時間戳我們已經(jīng)通過靜態(tài)變量保留了，這里為T0，那么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(xù)不斷的累積這個時間，那么就可以得到任務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計算的周期。????這里還有一個函數(shù)沒有說，就是 get_curr_time()，在這里使用DWT，為了可以重新實現(xiàn)該函數(shù)，魚鷹使用了弱屬性 weak（關(guān)于這個看參考：《困惑多年，為什么 printf 可以重定向？?》）。

__weakuint32_t get_curr_time() { return DWT->CYCCNT; // don't use the function rt_tick_get()}這里可以看到有個注釋，不要使用 rt_tick_get 函數(shù)，為啥？精度太低，有些任務本來執(zhí)行了的，但是因為執(zhí)行時間小于操作系統(tǒng)的時鐘（比如1毫秒），那么就無法累積時間了，那么即使這個任務運行再多，時間累積也為 0，這肯定是我們不希望看到的。然后再說一個點，為了簡化代碼（鉤子函數(shù)代碼只有短短幾行），魚鷹這樣的實現(xiàn)是有兩個問題的。1、首次運行計算有誤，因為靜態(tài)變量應該在運行任務之前就初始化的（不應該初始化為 0），而鉤子函數(shù)是在任務運行之后才調(diào)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，不過后面隨著系統(tǒng)的運行，靜態(tài)變量被持續(xù)更新，就不會再出現(xiàn)這個問題了。2、為了減少修改，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，但是因為魚鷹懶得修改太多代碼，所以直接拿來用了。正因為如此，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(jīng)能夠通過鉤子函數(shù)獲取各個線程的CPU執(zhí)行時間，現(xiàn)在就看該如何計算了。為了計算各個線程的CPU使用率，我們需要確定計算周期，這里我們可以設置1秒計算一次。其次，我們需要確定在哪個任務執(zhí)行計算。原理上來說，可以是系統(tǒng)中的任何一個任務，但是為了減少對系統(tǒng)的干擾，可以將計算工作放到優(yōu)先級比較低的任務中進行，比如空閑任務。現(xiàn)在，看看函數(shù)是如何實現(xiàn)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(guān)閉系統(tǒng)調(diào)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 =