'real','user'和'sys'在time(1)的输出中意味着什么？

Question

$ time foo
real        0m0.003s
user        0m0.000s
sys         0m0.004s
$

"真实","用户"和"系统"在时间输出中意味着什么？

在对我的应用进行基准测试时哪一个有意义？

Answer 1

Real,User和Sys处理时间统计信息

其中一件事与另一件事情不同.实际是指实际经过的时间; User和Sys指的是仅由进程使用的CPU时间.

• 真实是挂钟时间 - 从通话开始到结束的时间.这是所有经过的时间,包括其他进程使用的时间片和进程花费的时间(例如,如果它等待I/O完成).

• 用户是进程内用户模式代码(内核外)花费的CPU时间.这只是执行过程时使用的实际CPU时间.流程花费的其他流程和时间不计入此数字.

• Sys是进程内核中花费的CPU时间.这意味着执行内核中系统调用所花费的CPU时间,而不是仍在用户空间中运行的库代码.与'user'一样,这只是进程使用的CPU时间.有关内核模式(也称为"管理程序"模式)和系统调用机制的简要说明,请参见下文.

User+Sys将告诉您进程使用的实际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),则可能超过报告的挂钟时间Real(通常会发生).请注意,在输出中,这些数字包括所有子进程(及其后代)的时间User和Sys时间,以及它们是否可以被收集,例如通过wait(2)或者waitpid(2),尽管底层系统调用会分别返回进程及其子进程的统计信息.

报告统计数据的起源 time (1)

报告的统计数据time来自各种系统调用."用户"和"系统"来自wait (2)(POSIX)或times (2)(POSIX),具体取决于特定系统."真实"是根据从gettimeofday (2)通话中收集的开始和结束时间计算得出的.根据系统的版本,还可以收集各种其他统计信息,例如上下文切换的数量time.

在多处理器计算机上,多线程进程或分叉子进程的进程可能会比CPU总时间小 - 因为不同的线程或进程可能并行运行.此外,报告的时间统计来自不同的来源,因此对于非常短的运行任务记录的时间可能受到舍入误差的影响,如原始海报给出的示例所示.

关于内核与用户模式的简要介绍

在Unix或任何受保护的内存操作系统上,"内核"或"超级用户"模式是指CPU可以操作的特权模式.某些可能影响安全性或稳定性的特权操作只能在CPU运行时完成这种模式; 这些操作不适用于应用程序代码.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,用户模式代码不能这样做(有充分的理由),尽管它可以从内核请求共享内存,这可能由多个进程读取或写入.在这种情况下,通过安全机制从内核显式请求共享内存,并且两个进程必须显式附加到它才能使用它.

特权模式通常称为"内核"模式,因为内核由在此模式下运行的CPU执行.为了切换到内核模式,您必须发出一个特定的指令(通常称为陷阱),它将CPU切换到以内核模式运行,并从跳转表中保存的特定位置运行代码. 出于安全原因,您无法切换到内核模式并执行任意代码 - 陷阱通过无法写入的地址表进行管理,除非CPU以管理员模式运行.使用显式陷阱编号进行陷阱,并在跳转表中查找地址; 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)具有用户模式组件,这是您实际从C程序调用的组件.在幕后,他们可以向内核发出一个或多个系统调用来执行特定服务(如I/O),但是他们仍然可以在用户模式下运行代码.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汇编语言片段来为调用正确设置寄存器.可以在此处找到描述Linux内核提供的系统调用的页面以及设置寄存器的约定.

关于'sys'的更多信息

您的代码无法通过用户模式执行某些操作 - 例如分配内存或访问硬件(HDD,网络等).这些都在内核的监督下,只有它才能做到.您执行的某些操作(如/ malloc或)将调用这些内核函数,然后将计为"sys"时间.不幸的是,它并不像"每次调用malloc都会计入'sys'时间"那么简单.调用将自己进行一些处理(仍然计入'用户'时间),然后在它可能调用内核函数的某个地方(在'sys'时间内计算).从内核调用返回后,'user'中会有更多的时间然后freadfwritemallocmalloc将返回您的代码.至于何时发生切换,以及在内核模式下花费了多少......你不能说.这取决于库的实现.此外,其他看似无辜的功能也可能malloc在后台使用等,这将在'sys'中再次有一些时间.

Answer 2

为了扩展已接受的答案,我只是想提供另一个理由real？user+ sys.

请记住,real表示实际经过的时间,而值user和sys值表示CPU执行时间.因此,在多核系统上,user和/或sys时间(以及它们的总和)实际上可能超过实时.例如,在我正在为类运行的Java应用程序中,我得到以下值:

real    1m47.363s
user    2m41.318s
sys     0m4.013s

Answer 3

• real:从开始到结束运行过程所花费的实际时间,就好像是由带有秒表的人测量的

• user:计算期间所有CPU花费的累计时间

• sys:所有CPU在系统相关任务(如内存分配)期间所累积的时间.

请注意,有时user + sys可能大于real,因为多个处理器可能并行工作.

Answer 4

最少的可运行POSIX C示例

为了使事情更具体，我想time用一些最小的C测试程序来举例说明一些极端的情况。

可以使用以下命令编译和运行所有程序：

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），2个Samsung M471A2K43BB1-CRC RAM（2个16GiB）中进行了测试。

睡觉

非繁忙睡眠不计任何user或sys只real。

例如，一个睡眠一秒钟的程序：

#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：

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

对于在IO上可用而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：

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

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

GitHub上游。

而且，如果您等待大约一秒钟，它会像睡眠示例一样输出：

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

因此，time可以帮助您区分CPU和IO绑定的程序：“ CPU绑定”和“ I / O绑定”是什么意思？

多线程

以下示例niters对nthreads线程进行无用的CPU繁重工作的迭代：

#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，在我的8个超线程CPU上，针对固定的10 ^ 10迭代，将wall，user和sys绘制为线程数的函数：

绘制数据。

从图中可以看到：

• 对于CPU密集型单核应用程序，wall和user大致相同

• 对于2核，用户大约是2倍墙，这意味着用户时间是在所有线程中计算的。

  用户基本上翻了一番，而墙保持不变。

• 这最多可以持续8个线程，这与我计算机中超线程的数量相匹配。

  8点之后，墙也开始增加，因为我们没有任何额外的CPU在给定的时间内进行更多工作！

  此时的比率平稳。

系统工作繁重 sendfile

我想承担的最重的sys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，高效的方式复制文件

因此，我认为此内核memcpy将是CPU密集型操作。

首先，我使用以下命令初始化一个较大的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。

基本上可以提供预期的系统时间：

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

我也很好奇，看看是否time可以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

两者的系统时间与单个进程的时间大致相同，但是挂墙时间较长，因为进程可能争用磁盘读取访问权限。

因此，似乎实际上是在考虑哪个进程启动了给定的内核工作。

Bash源代码

当您仅time <cmd>在Ubuntu上执行操作时，它可以使用Bash关键字，如下所示：

type time

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使用grep源代码：

git grep '"user\b'

这导致我们执行execute_cmd.c函数time_command，该函数使用：

• gettimeofday()而getrusage()如果两者都可用
• times() 除此以外

所有这些都是Linux系统调用和POSIX函数。

GNU Coreutils源代码

如果我们称其为：

/usr/bin/time

然后使用GNU Coreutils实现。

这个有点复杂，但是相关的资源似乎在resuse.c上，它确实：

• 非POSIX BSD wait3呼叫（如果有）
• times和gettimeofday否则

Answer 5

简而言之，我喜欢这样思考：

• real是运行命令所花费的实际时间（就好像您用秒表计时一样）

• user以及执行命令需要做sys多少“工作” 。CPU该“工作”以时间单位表示。

一般来说：

• userCPU是运行命令代码需要做多少工作
• sysCPU是为了支持正在运行的命令，必须做多少工作来处理“系统开销”类型的任务（例如分配内存、文件 I/O 等）

由于最后两次计算的是已完成的“工作”，因此它们不包括线程可能花费在等待上的时间（例如等待另一个进程或等待磁盘 I/O 完成）。

real然而，它是对实际运行时间而不是“工作”的度量，因此它确实包括等待所花费的任何时间（这就是有时的原因real > usr+sys）。

usr+sys > real最后，对于多线程应用程序，有时情况正好相反 ( )。这也是因为我们将“工作时间”与实际时间进行比较而出现的。例如，如果 3 个处理器各连续运行 10 分钟来执行命令，您将得到real = 10mbut usr = 30m。

Answer 6

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

实时包括等待时间(I/O的等待时间等)