实时、用户和系统处理时间统计

其中一件事与另一件不同。Real指实际经过的时间；用户和系统指的是仅由进程使用的CPU时间。

真正的是从通话开始到结束的挂钟时间。这是所有经过的时间，包括其他进程使用的时间片和进程阻塞的时间（例如，如果它正在等待I/O完成）。User是进程内用户模式代码（内核外）所花费的CPU时间。这是执行过程中使用的唯一实际CPU时间。其他流程和流程被阻塞的时间不计入该数字。Sys是进程中内核所花费的CPU时间。这意味着在内核内执行系统调用所花费的CPU时间，而不是仍然在用户空间中运行的库代码。与“用户”一样，这只是进程使用的CPU时间。有关内核模式（也称为“监督”模式）和系统调用机制的简要描述，请参见下文。

User+Sys将告诉您进程实际使用了多少CPU时间。请注意，这是跨所有CPU的，因此如果进程有多个线程（并且此进程在具有多个处理器的计算机上运行），则可能会超过Real报告的时钟时间（通常会发生）。注意，在输出中，这些数字包括所有子进程（及其子进程）的用户和系统时间，以及它们可能被收集的时间，例如，通过wait（2）或waitpid（2），尽管底层系统调用分别返回进程及其子进程的统计信息。

按时间报告的统计数据来源（1）

按时间报告的统计数据是从各种系统调用中收集的“User”和“Sys”来自wait（2）（POSIX）或times（2），具体取决于特定系统。”“Real”是从gettimeofday（2）调用收集的开始和结束时间计算得出的。根据系统的版本，还可以按时间收集各种其他统计信息，例如上下文开关的数量。

在多处理器机器上，多线程进程或分叉子进程的运行时间可能小于总CPU时间，因为不同的线程或进程可能并行运行。此外，报告的时间统计数据来自不同的来源，因此非常短的运行任务所记录的时间可能会有舍入误差，如原始海报所示。

内核与用户模式的简单入门

在Unix或任何受保护的内存操作系统上，“内核”或“管理器”模式是指CPU可以在其中操作的特权模式。某些可能影响安全性或稳定性的特权操作只能在CPU在这种模式下操作时进行；这些操作对应用程序代码不可用。这种动作的一个例子可能是操纵MMU以获得对另一个进程的地址空间的访问。通常，用户模式代码无法做到这一点（有充分的理由），尽管它可以从内核请求共享内存，而这些内存可以由多个进程读取或写入。在这种情况下，共享内存是通过安全机制从内核显式请求的，两个进程都必须显式连接到共享内存才能使用它。

特权模式通常被称为“内核”模式，因为内核是由在该模式下运行的CPU执行的。为了切换到内核模式，您必须发出特定的指令（通常称为陷阱），将CPU切换到以内核模式运行，并从跳转表中的特定位置运行代码。出于安全原因，您不能切换到内核模式并执行任意代码-陷阱是通过一个地址表来管理的，除非CPU以监控模式运行，否则无法写入地址表。你用一个明确的陷阱号码进行陷阱，地址在跳转表中查找；内核具有有限数量的受控入口点。

C库中的“系统”调用（特别是手册页第2节中描述的那些）有一个用户模式组件，这是您从C程序实际调用的组件。在幕后，他们可能会向内核发出一个或多个系统调用，以执行特定的服务（如I/O），但他们仍然有以用户模式运行的代码。如果需要，也可以从任何用户空间代码直接向内核模式发出陷阱，尽管您可能需要编写一段汇编语言来正确设置调用的寄存器。

有关“sys”的详细信息

有些事情是你的代码无法在用户模式下完成的，比如分配内存或访问硬件（HDD、网络等）。这些都在内核的监督下，只有内核才能完成。像malloc或fread/fwrite这样的一些操作将调用这些内核函数，然后将其计算为“sys”时间。不幸的是，这并不像“对malloc的每次调用都将计入'sys'时间”那么简单。对malloc的调用将自己进行一些处理（仍计入“用户”时间），然后在某个地方调用内核中的函数（计入“sys”时间）。从内核调用返回后，“user”中会有更多的时间，然后malloc将返回到代码中。至于何时发生切换，以及在内核模式下花费了多少时间。。。你不能说。这取决于库的实现。此外，其他看似无辜的函数也可能在后台使用malloc等，这在“sys”中也会有一段时间。

实时、用户和系统处理时间统计

其中一件事与另一件不同。Real指实际经过的时间；用户和系统指的是仅由进程使用的CPU时间。

真正的是从通话开始到结束的挂钟时间。这是所有经过的时间，包括其他进程使用的时间片和进程阻塞的时间（例如，如果它正在等待I/O完成）。User是进程内用户模式代码（内核外）所花费的CPU时间。这是执行过程中使用的唯一实际CPU时间。其他流程和流程被阻塞的时间不计入该数字。Sys是进程中内核所花费的CPU时间。这意味着在内核内执行系统调用所花费的CPU时间，而不是仍然在用户空间中运行的库代码。与“用户”一样，这只是进程使用的CPU时间。有关内核模式（也称为“监督”模式）和系统调用机制的简要描述，请参见下文。

User+Sys将告诉您进程实际使用了多少CPU时间。请注意，这是跨所有CPU的，因此如果进程有多个线程（并且此进程在具有多个处理器的计算机上运行），则可能会超过Real报告的时钟时间（通常会发生）。注意，在输出中，这些数字包括所有子进程（及其子进程）的用户和系统时间，以及它们可能被收集的时间，例如，通过wait（2）或waitpid（2），尽管底层系统调用分别返回进程及其子进程的统计信息。

按时间报告的统计数据来源（1）

按时间报告的统计数据是从各种系统调用中收集的“User”和“Sys”来自wait（2）（POSIX）或times（2），具体取决于特定系统。”“Real”是从gettimeofday（2）调用收集的开始和结束时间计算得出的。根据系统的版本，还可以按时间收集各种其他统计信息，例如上下文开关的数量。

在多处理器机器上，多线程进程或分叉子进程的运行时间可能小于总CPU时间，因为不同的线程或进程可能并行运行。此外，报告的时间统计数据来自不同的来源，因此非常短的运行任务所记录的时间可能会有舍入误差，如原始海报所示。

内核与用户模式的简单入门

在Unix或任何受保护的内存操作系统上，“内核”或“管理器”模式是指CPU可以在其中操作的特权模式。某些可能影响安全性或稳定性的特权操作只能在CPU在这种模式下操作时进行；这些操作对应用程序代码不可用。这种动作的一个例子可能是操纵MMU以获得对另一个进程的地址空间的访问。通常，用户模式代码无法做到这一点（有充分的理由），尽管它可以从内核请求共享内存，而这些内存可以由多个进程读取或写入。在这种情况下，共享内存是通过安全机制从内核显式请求的，两个进程都必须显式连接到共享内存才能使用它。

特权模式通常被称为“内核”模式，因为内核是由在该模式下运行的CPU执行的。为了切换到内核模式，您必须发出特定的指令（通常称为陷阱），将CPU切换到以内核模式运行，并从跳转表中的特定位置运行代码。出于安全原因，您不能切换到内核模式并执行任意代码-陷阱是通过一个地址表来管理的，除非CPU以监控模式运行，否则无法写入地址表。你用一个明确的陷阱号码进行陷阱，地址在跳转表中查找；内核具有有限数量的受控入口点。

C库中的“系统”调用（特别是手册页第2节中描述的那些）有一个用户模式组件，这是您从C程序实际调用的组件。在幕后，他们可能会向内核发出一个或多个系统调用，以执行特定的服务（如I/O），但他们仍然有以用户模式运行的代码。如果需要，也可以从任何用户空间代码直接向内核模式发出陷阱，尽管您可能需要编写一段汇编语言来正确设置调用的寄存器。

有关“sys”的详细信息

有些事情是你的代码无法在用户模式下完成的，比如分配内存或访问硬件（HDD、网络等）。这些都在内核的监督下，只有内核才能完成。像malloc或fread/fwrite这样的一些操作将调用这些内核函数，然后将其计算为“sys”时间。不幸的是，这并不像“对malloc的每次调用都将计入'sys'时间”那么简单。对malloc的调用将自己进行一些处理（仍计入“用户”时间），然后在某个地方调用内核中的函数（计入“sys”时间）。从内核调用返回后，“user”中会有更多的时间，然后malloc将返回到代码中。至于何时发生切换，以及在内核模式下花费了多少时间。。。你不能说。这取决于库的实现。此外，其他看似无辜的函数也可能在后台使用malloc等，这在“sys”中也会有一段时间。

简单地说，我喜欢这样想：

real是运行命令所需的实际时间（就像用秒表计时一样）user和sys是CPU执行命令所需的“工作量”。这项“工作”以时间单位表示。

一般来说：

user是CPU运行命令代码所做的工作量sys是CPU为了支持运行命令而处理“系统开销”类型任务（如分配内存、文件I/O等）所需的工作量

由于这最后两次是计算已完成的“工作”，因此它们不包括线程可能花费的等待时间（例如等待另一个进程或磁盘I/O完成）。

然而，real是实际运行时间的度量，而不是“工作”，因此它确实包括了等待所花费的时间。

最少可运行的POSIX C示例

为了使事情更具体，我想用一些最小的C测试程序来举例说明一些极端的情况。

所有程序都可以通过以下方式编译和运行：

gcc -ggdb3 -o main.out -pthread -std=c99 -pedantic-errors -Wall -Wextra main.c
time ./main.out

并已在Ubuntu 18.10、GCC 8.2.0、glibc 2.28、Linux内核4.18、ThinkPad P51笔记本电脑、Intel Core i7-7820HQ CPU（4核/8线程）、2x三星M471A2K43B1-CRC RAM（2x 16GiB）中测试。

休眠系统调用

睡眠系统调用所做的非繁忙睡眠仅在实际情况下有效，而对用户或系统无效。

例如，一个休眠一秒钟的程序：

#define _XOPEN_SOURCE 700
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main(void) {
    sleep(1);
    return EXIT_SUCCESS;
}

GitHub上游。

输出类似于：

real    0m1.003s
user    0m0.001s
sys     0m0.003s

IO可用时被阻止的程序也是如此。

例如，以下程序等待用户输入字符并按enter键：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(void) {
    printf("%c\n", getchar());
    return EXIT_SUCCESS;
}

GitHub上游。

如果你等待大约一秒钟，它的输出就像睡眠示例一样：

real    0m1.003s
user    0m0.001s
sys     0m0.003s

因此，时间可以帮助您区分CPU和IO绑定程序：术语“CPU绑定”和“I/O绑定”是什么意思？

多个线程

下面的示例在n个线程上执行无数次无用的纯CPU绑定工作：

#define _XOPEN_SOURCE 700
#include <assert.h>
#include <inttypes.h>
#include <pthread.h>
#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

uint64_t niters;

void* my_thread(void *arg) {
    uint64_t *argument, i, result;
    argument = (uint64_t *)arg;
    result = *argument;
    for (i = 0; i < niters; ++i) {
        result = (result * result) - (3 * result) + 1;
    }
    *argument = result;
    return NULL;
}

int main(int argc, char **argv) {
    size_t nthreads;
    pthread_t *threads;
    uint64_t rc, i, *thread_args;

    /* CLI args. */
    if (argc > 1) {
        niters = strtoll(argv[1], NULL, 0);
    } else {
        niters = 1000000000;
    }
    if (argc > 2) {
        nthreads = strtoll(argv[2], NULL, 0);
    } else {
        nthreads = 1;
    }
    threads = malloc(nthreads * sizeof(*threads));
    thread_args = malloc(nthreads * sizeof(*thread_args));

    /* Create all threads */
    for (i = 0; i < nthreads; ++i) {
        thread_args[i] = i;
        rc = pthread_create(
            &threads[i],
            NULL,
            my_thread,
            (void*)&thread_args[i]
        );
        assert(rc == 0);
    }

    /* Wait for all threads to complete */
    for (i = 0; i < nthreads; ++i) {
        rc = pthread_join(threads[i], NULL);
        assert(rc == 0);
        printf("%" PRIu64 " %" PRIu64 "\n", i, thread_args[i]);
    }

    free(threads);
    free(thread_args);
    return EXIT_SUCCESS;
}

GitHub上游+绘图代码。

然后，我们将wall、user和sys绘制为我的8个超线程CPU上固定10^10次迭代的线程数的函数：

绘图数据。

从图中可以看出：

对于CPU密集型单核应用程序，墙和用户几乎相同对于2个内核，用户大约是2xwall，这意味着所有线程都会计算用户时间。用户基本上增加了一倍，而墙壁保持不变。这将持续到8个线程，这与我的计算机中的超线程数相匹配。8岁之后，墙壁也开始增加，因为我们没有任何额外的CPU来在给定的时间内投入更多的工作！该比率在这一点上趋于稳定。

请注意，此图之所以如此清晰和简单，是因为工作完全受CPU限制：如果它受内存限制，那么我们将在更少内核的情况下更早地降低性能，因为内存访问将成为瓶颈，如“CPU限制”和“I/O限制”所示？

快速检查wall＜user是确定程序是多线程的一种简单方法，并且该比率与内核数量越接近，并行化就越有效，例如：

多线程链接器：gcc在链接时可以使用多个内核吗？C++并行排序：C++17并行算法已经实现了吗？

使用sendfile进行系统繁重的工作

我能想到的最繁重的系统工作负载是使用sendfile，它在内核空间上执行文件复制操作：以理智、安全和高效的方式复制文件

所以我设想内核内存将是一个CPU密集型操作。

首先，我使用以下命令初始化一个大型10GiB随机文件：

dd if=/dev/urandom of=sendfile.in.tmp bs=1K count=10M

然后运行代码：

#define _GNU_SOURCE
#include <assert.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/sendfile.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char **argv) {
    char *source_path, *dest_path;
    int source, dest;
    struct stat stat_source;
    if (argc > 1) {
        source_path = argv[1];
    } else {
        source_path = "sendfile.in.tmp";
    }
    if (argc > 2) {
        dest_path = argv[2];
    } else {
        dest_path = "sendfile.out.tmp";
    }
    source = open(source_path, O_RDONLY);
    assert(source != -1);
    dest = open(dest_path, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IRUSR | S_IWUSR);
    assert(dest != -1);
    assert(fstat(source, &stat_source) != -1);
    assert(sendfile(dest, source, 0, stat_source.st_size) != -1);
    assert(close(source) != -1);
    assert(close(dest) != -1);
    return EXIT_SUCCESS;
}

GitHub上游。

这基本上给出了预期的大部分系统时间：

real    0m2.175s
user    0m0.001s
sys     0m1.476s

我也很好奇时间是否能区分不同进程的系统调用，所以我尝试了：

time ./sendfile.out sendfile.in1.tmp sendfile.out1.tmp &
time ./sendfile.out sendfile.in2.tmp sendfile.out2.tmp &

结果是：

real    0m3.651s
user    0m0.000s
sys     0m1.516s

real    0m4.948s
user    0m0.000s
sys     0m1.562s

这两个进程的系统时间大约与单个进程相同，但壁时间更大，因为两个进程可能会竞争磁盘读取访问。

因此，它似乎确实说明了哪个进程启动了给定的内核工作。

Bash源代码

当您在Ubuntu上执行time＜cmd＞时，它使用Bash关键字，如下所示：

type time

其输出：

time is a shell keyword

因此，我们在Bash 4.19源代码中为输出字符串grep源代码：

git grep '"user\b'

这导致我们执行_cmd.c函数time_command，它使用：

gettimeofday（）和getrusage（）（如果两者都可用）time（）否则

所有这些都是Linux系统调用和POSIX函数。

GNU Coreutils源代码

如果我们称之为：

/usr/bin/time

然后它使用GNU Coreutils实现。

这一点有点复杂，但相关的来源似乎在resume.c，它确实：

非POSIX BSD wait3调用（如果可用）时间和到达时间，否则1: https://i.stack.imgur.com/qAfEe.png**最少可运行的POSIX C示例**

为了使事情更具体，我想用一些最小的C测试程序来举例说明一些极端的情况。

所有程序都可以通过以下方式编译和运行：

gcc -ggdb3 -o main.out -pthread -std=c99 -pedantic-errors -Wall -Wextra main.c
time ./main.out

并已在Ubuntu 18.10、GCC 8.2.0、glibc 2.28、Linux内核4.18、ThinkPad P51笔记本电脑、Intel Core i7-7820HQ CPU（4核/8线程）、2x三星M471A2K43B1-CRC RAM（2x 16GiB）中测试。

睡觉

非繁忙睡眠在用户或系统中都不算，只算真实睡眠。

例如，一个休眠一秒钟的程序：

#define _XOPEN_SOURCE 700
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main(void) {
    sleep(1);
    return EXIT_SUCCESS;
}

GitHub上游。

输出类似于：

real    0m1.003s
user    0m0.001s
sys     0m0.003s

IO可用时被阻止的程序也是如此。

例如，以下程序等待用户输入字符并按enter键：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(void) {
    printf("%c\n", getchar());
    return EXIT_SUCCESS;
}

GitHub上游。

如果你等待大约一秒钟，它的输出就像睡眠示例一样：

real    0m1.003s
user    0m0.001s
sys     0m0.003s

因此，时间可以帮助您区分CPU和IO绑定程序：术语“CPU绑定”和“I/O绑定”是什么意思？

多线程链接器：gcc在链接时可以使用多个内核吗？C++并行排序：C++17并行算法已经实现了吗？

Real显示流程的总周转时间；而User显示用户定义指令的执行时间Sys是执行系统调用的时间！

实时还包括等待时间（I/O等的等待时间）

必须提到的是，至少在我的AMD Ryzen CPU上，在多线程程序（或使用-O3编译的单线程程序）中，用户总是比实际用户大。

eg.

real    0m5.815s
user    0m8.213s
sys 0m0.473s