JasonWang's Blog

一个CPU steal-time高的问题

Linux Hypervisor CPU steal-time
字数统计: 3.2k阅读时长: 14 min
2025/05/07

前两天碰到一个基于QNX的虚拟化平台上的项目问题，同事反馈系统很卡，点击页面明显有延迟，卡顿严重。用top看了下Android系统的负载，还有20%左右的空闲，其他的如用户态、内核态以及中断的占用都比较正常，唯独有一个%host的占用特别高，最高能占到60%以上。这个host的占用是什么意思了？这篇文章，我们就基于这个问题，来详细阐述分析下虚拟化平台中host占用高的问题以及在虚拟化平台KVM是如何计算host占用的。 

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800%cpu  45%user   4%nice  126%sys 141%idle   3%iow  41%irq   16%sirq   425%host

问题定位与排查

通过adb shell进到设备里top看下系统整体状态，可以发现系统内存还有不少空间，CPU的空闲只有不到30%，占大头的就是%host这一部分。

top-steal-time-hight

先尝试用DeepSeek问了下，top指令中的host占用到底是什么意思？ DeepSeek很快给出了答案:

在Linux的top命令中，”host的CPU占用”（通常对应%host或st字段）是虚拟化环境特有的性能指标，用于反映​​虚拟机被宿主机（Hypervisor）抢占的CPU时间百分比

就是说，host过高，可能是由于虚拟化平台中宿主机有异常，比如处于高负载，CPU配置不合理（给guest系统的资源太少），导致了客户机Android系统一直无法抢占到CPU，处于挂起等待的状态。那么，究竟如何排查这类问题了？接着问下DeepSeek： 如何排查steal CPU占用过高的问题，DeepSeek给出了一些可能的解释：

deep-seek CPU steal-time reason

顺着这个思路，进入设备继续查看，通过mpstat -P ALL查看整体的负载，观察到类似的情况, %steal这一栏显示，Android相当一部分负载都来自于等待宿主机上；这里多个核的%steal占比加起来就对应top中的%host：

cpu steal-time high of mpstat

基于这些数据，我们推测很可能宿主机QNX侧有问题（之前的版本没有异常），拉着开发人员对齐了下，确认了虚拟机上的CPU分配没有太大问题（系统只有一个客户机Android，可以访问所有的物理CPU），那么基本可以排除资源不足引起的问题；是不是最近有什么修改引入了这个问题？

开发反馈只有两个修改点： 一个是更新了车控相关的信号，一个是在QNX上新增了一个PPS节点。更新车控信号矩阵不应该对系统负载有太大的影响，而且从已有的数据看，Android的各个进程的负载并不高，况且在台架上也没有太多的车控信号需要传输，因此可以排除。那么，很可能是新增PPS节点导致了QNX侧的负载过高，从而引起Android侧无法拿到CPU。最后，开发排查了相关的进程，发现是某个PPS节点的配置异常，有一个进程在高频的写数据导致QNX侧的负载太高（QNX的idle已经接近0），因而客户机Android无法拿到足够的CPU资源。

PPS(Persistent Publish-Subscribe)是QNX用于跨进程通讯的一种协议

问题到这里也算告一段落。但是，为了对这类问题有更多的了解，后续碰到相似问题时时能够快速的定位分析，还是决定要深入代码层面来了解下虚拟化平台中steal time究竟是怎么来计算的。

虚拟化中的CPU steal-time

既然是‘偷来的时间’（steal-time），那么就说明不是客户机自己执行指令导致的CPU占用，而是等待宿主机分配资源所消耗的时间，此时宿主机可能是在处理其他客户机的请求，也有可能是在忙着处理内部的事务。

Steal time is the percentage of time a virtual CPU waits for a real CPU while the hypervisor is servicing another virtual processor (or host itself).

无论是top指令中展示的%host，还是mpstat中的%steal都是通过内核的/proc/stat获取到的CPU占用数据。查看Android的源码external/toybox/toys/posix/ps.c，CPU的steal-time就是/proc/stat的最后一列数据。我们继续查看下内核的代码。

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static void top_common(
  int (*filter)(long long *oslot, long long *nslot, int milis))
{
  long long timeout = 0, now, stats[16];
  struct proclist {
    struct procpid **tb;
    int count;
    long long whence;
  } plist[2], *plold, *plnew, old, new, mix;
  char scratch[16], *pos, *cpufields[] = {"user", "nice", "sys", "idle",
    "iow", "irq", "sirq", "host"}; // 通过这显示CPU占用
  ....

  memset(plist, 0, sizeof(plist));
  memset(stats, 0, sizeof(stats));

  do {
    
    //读取CPU占用数据，最后一列就是steal-time
    if (readfile("/proc/stat", pos = toybuf, sizeof(toybuf))) {
      long long *st = stats+8*(tock&1);

      // user nice system idle iowait irq softirq host
      sscanf(pos, "cpu %lld %lld %lld %lld %lld %lld %lld %lld",
        st, st+1, st+2, st+3, st+4, st+5, st+6, st+7);
    }

    ...
  } while (!done);

  if (!FLAG(b)) tty_reset();
}


内核中对应/proc/stat的状态显示在fs/proc/stat.c中实现的，可以看到steal-time的计算是通过一个per-cpu结构体变量kernel_cpustat中的cpustat数组对应的CPUTIME_STEAL索引获取到：

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static int show_stat(struct seq_file *p, void *v)
{
	int i, j;
	u64 user, nice, system, idle, iowait, irq, softirq, steal;
	u64 guest, guest_nice;
	u64 sum = 0;
	u64 sum_softirq = 0;
	unsigned int per_softirq_sums[NR_SOFTIRQS] = {0};
	struct timespec64 boottime;

	user = nice = system = idle = iowait =
		irq = softirq = steal = 0;
	guest = guest_nice = 0;
	getboottime64(&boottime);

	for_each_possible_cpu(i) {
		struct kernel_cpustat kcpustat;
		u64 *cpustat = kcpustat.cpustat;

		kcpustat_cpu_fetch(&kcpustat, i);

		user		+= cpustat[CPUTIME_USER];
		nice		+= cpustat[CPUTIME_NICE];
		system		+= cpustat[CPUTIME_SYSTEM];
		idle		+= get_idle_time(&kcpustat, i);
		iowait		+= get_iowait_time(&kcpustat, i);
		irq		+= cpustat[CPUTIME_IRQ];
		softirq		+= cpustat[CPUTIME_SOFTIRQ];
		//获取steal-time
		steal		+= cpustat[CPUTIME_STEAL];
		guest		+= cpustat[CPUTIME_GUEST];
		guest_nice	+= cpustat[CPUTIME_GUEST_NICE];
		sum		+= kstat_cpu_irqs_sum(i);
		sum		+= arch_irq_stat_cpu(i);

		for (j = 0; j < NR_SOFTIRQS; j++) {
			unsigned int softirq_stat = kstat_softirqs_cpu(j, i);

			per_softirq_sums[j] += softirq_stat;
			sum_softirq += softirq_stat;
		}
	}
	sum += arch_irq_stat();

	seq_put_decimal_ull(p, "cpu  ", nsec_to_clock_t(user));
	seq_put_decimal_ull(p, " ", nsec_to_clock_t(nice));
	seq_put_decimal_ull(p, " ", nsec_to_clock_t(system));
	seq_put_decimal_ull(p, " ", nsec_to_clock_t(idle));
	seq_put_decimal_ull(p, " ", nsec_to_clock_t(iowait));
	seq_put_decimal_ull(p, " ", nsec_to_clock_t(irq));
	seq_put_decimal_ull(p, " ", nsec_to_clock_t(softirq));
	seq_put_decimal_ull(p, " ", nsec_to_clock_t(steal));
	seq_put_decimal_ull(p, " ", nsec_to_clock_t(guest));
	seq_put_decimal_ull(p, " ", nsec_to_clock_t(guest_nice));
	seq_putc(p, '\n');

	for_each_online_cpu(i) {
		struct kernel_cpustat kcpustat;
		u64 *cpustat = kcpustat.cpustat;

		kcpustat_cpu_fetch(&kcpustat, i);

		/* Copy values here to work around gcc-2.95.3, gcc-2.96 */
		user		= cpustat[CPUTIME_USER];
		nice		= cpustat[CPUTIME_NICE];
		system		= cpustat[CPUTIME_SYSTEM];
		idle		= get_idle_time(&kcpustat, i);
		iowait		= get_iowait_time(&kcpustat, i);
		irq		= cpustat[CPUTIME_IRQ];
		softirq		= cpustat[CPUTIME_SOFTIRQ];
		steal		= cpustat[CPUTIME_STEAL];
		guest		= cpustat[CPUTIME_GUEST];
		guest_nice	= cpustat[CPUTIME_GUEST_NICE];
		seq_printf(p, "cpu%d", i);
		seq_put_decimal_ull(p, " ", nsec_to_clock_t(user));
		seq_put_decimal_ull(p, " ", nsec_to_clock_t(nice));
		seq_put_decimal_ull(p, " ", nsec_to_clock_t(system));
		seq_put_decimal_ull(p, " ", nsec_to_clock_t(idle));
		seq_put_decimal_ull(p, " ", nsec_to_clock_t(iowait));
		seq_put_decimal_ull(p, " ", nsec_to_clock_t(irq));
		seq_put_decimal_ull(p, " ", nsec_to_clock_t(softirq));
		seq_put_decimal_ull(p, " ", nsec_to_clock_t(steal));
		seq_put_decimal_ull(p, " ", nsec_to_clock_t(guest));
		seq_put_decimal_ull(p, " ", nsec_to_clock_t(guest_nice));
		seq_putc(p, '\n');
	}
	seq_put_decimal_ull(p, "intr ", (unsigned long long)sum);

	show_all_irqs(p);

	seq_printf(p,
		"\nctxt %llu\n"
		"btime %llu\n"
		"processes %lu\n"
		"procs_running %lu\n"
		"procs_blocked %lu\n",
		nr_context_switches(),
		(unsigned long long)boottime.tv_sec,
		total_forks,
		nr_running(),
		nr_iowait());

	seq_put_decimal_ull(p, "softirq ", (unsigned long long)sum_softirq);

	for (i = 0; i < NR_SOFTIRQS; i++)
		seq_put_decimal_ull(p, " ", per_softirq_sums[i]);
	seq_putc(p, '\n');

	return 0;
}


内核中统计各个维度的CPU占用数据在kernel/sched/cputime.c统一实现了相关的接口，只有开启了内核配置CONFIG_PARAVIRT的虚拟化平台中才会计算steam-time时间，其他的则直接返回0：通过函数paravirt_steal_clock获取对应CPU的客户机系统的steal时间。

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/*
 * When a guest is interrupted for a longer amount of time, missed clock
 * ticks are not redelivered later. Due to that, this function may on
 * occasion account more time than the calling functions think elapsed.
 */
static __always_inline u64 steal_account_process_time(u64 maxtime)
{
#ifdef CONFIG_PARAVIRT
	if (static_key_false(&paravirt_steal_enabled)) {
		u64 steal;

		steal = paravirt_steal_clock(smp_processor_id());
		steal -= this_rq()->prev_steal_time;
		steal = min(steal, maxtime);
		account_steal_time(steal);
		this_rq()->prev_steal_time += steal;

		return steal;
	}
#endif
	return 0;
}


/*
 * Account for involuntary wait time.
 * @cputime: the CPU time spent in involuntary wait
 */
void account_steal_time(u64 cputime)
{
	u64 *cpustat = kcpustat_this_cpu->cpustat;

	cpustat[CPUTIME_STEAL] += cputime;
}

函数paravirt_steal_clock在arch/arm64/include/asm/paravirt.h中定义，最终实际是通过一个结构体pv_time_ops中的函数steal_clock调用获取客户机的steal时间。

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#ifdef CONFIG_PARAVIRT
struct pv_time_ops {
	unsigned long long (*steal_clock)(int cpu);  //获取steal时间的真正函数
};

struct paravirt_patch_template {
	struct pv_time_ops time;
};

extern struct paravirt_patch_template pv_ops;

static inline u64 paravirt_steal_clock(int cpu)
{
	return pv_ops.time.steal_clock(cpu);
}

int __init pv_time_init(void);

#else

#define pv_time_init() do {} while (0)

#endif // CONFIG_PARAVIRT

对于虚拟化平台来说，系统在初始化的时候，会通过pv_time_init函数对pv_ops进行初始化设置(arch/arm64/kernel/paravirt.c)：

  • pv_time_init_stolen_time: 初始化存放steal时间相关的变量内存区域（用于宿主机hypervisor与客户机进行数据共享）
  • pv_ops.time.steal_clock: 对提供给外部获取steal-time的接口进行赋值
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int __init pv_time_init(void)
{
	int ret;

	if (!has_pv_steal_clock())
		return 0;

	ret = pv_time_init_stolen_time();
	if (ret)
		return ret;

	pv_ops.time.steal_clock = pv_steal_clock;

	static_key_slow_inc(&paravirt_steal_enabled);
	if (steal_acc)
		static_key_slow_inc(&paravirt_steal_rq_enabled);

	pr_info("using stolen time PV\n");

	return 0;
}

函数pv_time_init_stolen_time注册一个CPU热插拔的回调，等CPU状态变为online收到回调后，调用stolen_time_cpu_online函数，初始化steal-time相关的配置：

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static int __init pv_time_init_stolen_time(void)
{
	int ret;

	ret = cpuhp_setup_state(CPUHP_AP_ONLINE_DYN,
				"hypervisor/arm/pvtime:online",
				stolen_time_cpu_online,
				stolen_time_cpu_down_prepare);
	if (ret < 0)
		return ret;
	return 0;
}

可以看到，stolen_time_cpu_online主要用于客户机与hypervisor协商一块固定的内存区域用于交换steal-time的时间，主要有几个步骤：

  • 首先通过一个HVC异常陷入指令(用于切换不同的Exception Level-EL)，让客户机从EL1(内核态)进入到EL2(虚拟机态)，获取到宿主机用于保存steal-time的内存地址，并通过arm_smccc_res返回给客户机
  • 内核将拿到的地址映射到一块内存，这样在内核中就可以通过函数访问到这块内存区域，从而读取到steam-time
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static int stolen_time_cpu_online(unsigned int cpu)
{
	struct pv_time_stolen_time_region *reg;
	struct arm_smccc_res res;

	reg = this_cpu_ptr(&stolen_time_region);

	arm_smccc_1_1_invoke(ARM_SMCCC_HV_PV_TIME_ST, &res);

	if (res.a0 == SMCCC_RET_NOT_SUPPORTED)
		return -EINVAL;

	reg->kaddr = memremap(res.a0,
			      sizeof(struct pvclock_vcpu_stolen_time),
			      MEMREMAP_WB);

	if (!reg->kaddr) {
		pr_warn("Failed to map stolen time data structure\n");
		return -ENOMEM;
	}

	if (le32_to_cpu(reg->kaddr->revision) != 0 ||
	    le32_to_cpu(reg->kaddr->attributes) != 0) {
		pr_warn_once("Unexpected revision or attributes in stolen time data\n");
		return -ENXIO;
	}

	return 0;
}

这里以Linux的虚拟化方案KVM（Kernel-based Virtual Machine）为例来说明，在虚拟机层面如何处理steal-time的计算，并给到客户机系统的。在KVM接收到HVC的指令ARM_SMCCC_HV_PV_TIME_ST后，最终会调用对应的异常处理函数kvm_hvc_call_handler（arch/arm64/kvm/hypercalls.c）:

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int kvm_hvc_call_handler(struct kvm_vcpu *vcpu)
{
	u32 func_id = smccc_get_function(vcpu);
	long val = SMCCC_RET_NOT_SUPPORTED;
	u32 feature;
	gpa_t gpa;

	switch (func_id) {
	case ARM_SMCCC_VERSION_FUNC_ID:
		val = ARM_SMCCC_VERSION_1_1;
		break;
	case ARM_SMCCC_ARCH_FEATURES_FUNC_ID:
		feature = smccc_get_arg1(vcpu);
		switch (feature) {
		case ARM_SMCCC_ARCH_WORKAROUND_1:
			switch (arm64_get_spectre_v2_state()) {
			case SPECTRE_VULNERABLE:
				break;
			case SPECTRE_MITIGATED:
				val = SMCCC_RET_SUCCESS;
				break;
			case SPECTRE_UNAFFECTED:
				val = SMCCC_ARCH_WORKAROUND_RET_UNAFFECTED;
				break;
			}
			break;
		case ARM_SMCCC_ARCH_WORKAROUND_2:
			switch (arm64_get_spectre_v4_state()) {
			case SPECTRE_VULNERABLE:
				break;
			case SPECTRE_MITIGATED:
				/*
				 * SSBS everywhere: Indicate no firmware
				 * support, as the SSBS support will be
				 * indicated to the guest and the default is
				 * safe.
				 *
				 * Otherwise, expose a permanent mitigation
				 * to the guest, and hide SSBS so that the
				 * guest stays protected.
				 */
				if (cpus_have_final_cap(ARM64_SSBS))
					break;
				fallthrough;
			case SPECTRE_UNAFFECTED:
				val = SMCCC_RET_NOT_REQUIRED;
				break;
			}
			break;
		case ARM_SMCCC_HV_PV_TIME_FEATURES:
			val = SMCCC_RET_SUCCESS;
			break;
		}
		break;
	case ARM_SMCCC_HV_PV_TIME_FEATURES:
		val = kvm_hypercall_pv_features(vcpu);
		break;
	case ARM_SMCCC_HV_PV_TIME_ST:
		gpa = kvm_init_stolen_time(vcpu);
		if (gpa != GPA_INVALID)
			val = gpa;
		break;
	default:
		return kvm_psci_call(vcpu);
	}

	smccc_set_retval(vcpu, val, 0, 0, 0);
	return 1;
}

可以看到，在这里虚拟机hypervisor会调用kvm_init_stolen_time来初始化steam-time相关的配置：

  • 通过客户机对应的vcpu结构体kvm_vcpu获取到steal变量的基地址base（对应客户机的物理地址）
  • 通过kvm_write_guest将一个pvclock_vcpu_stolen_time初始化值写入到base地址，正是在这个结构体中保存了客户机的steal-time
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gpa_t kvm_init_stolen_time(struct kvm_vcpu *vcpu)
{
	struct pvclock_vcpu_stolen_time init_values = {};
	struct kvm *kvm = vcpu->kvm;
	u64 base = vcpu->arch.steal.base;
	int idx;

	if (base == GPA_INVALID)
		return base;

	/*
	 * Start counting stolen time from the time the guest requests
	 * the feature enabled.
	 */
	vcpu->arch.steal.last_steal = current->sched_info.run_delay;

	idx = srcu_read_lock(&kvm->srcu);
	kvm_write_guest(kvm, base, &init_values, sizeof(init_values));
	srcu_read_unlock(&kvm->srcu, idx);

	return base;
}


最后，KVM运行的时候，监听一个进程上下文切换的事件，在vcpu进程切换时主动调用kvm_update_stolen_time更新steal-time，从这里我们也可以看到，客户机的steal-time实际读取的是调度器的统计数据run_delay，就是vcpu调度的延迟-在调度队列里等待的时间。

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void kvm_update_stolen_time(struct kvm_vcpu *vcpu)
{
	struct kvm *kvm = vcpu->kvm;
	u64 base = vcpu->arch.steal.base;
	u64 last_steal = vcpu->arch.steal.last_steal;
	u64 offset = offsetof(struct pvclock_vcpu_stolen_time, stolen_time);
	u64 steal = 0;
	int idx;

	if (base == GPA_INVALID)
		return;

	idx = srcu_read_lock(&kvm->srcu);
	if (!kvm_get_guest(kvm, base + offset, steal)) {
		steal = le64_to_cpu(steal);
		vcpu->arch.steal.last_steal = READ_ONCE(current->sched_info.run_delay);
		steal += vcpu->arch.steal.last_steal - last_steal;
		kvm_put_guest(kvm, base + offset, cpu_to_le64(steal));
	}
	srcu_read_unlock(&kvm->srcu, idx);
}

总结

这篇文章，我们基于一个虚拟化项目的CPU占用高的问题，分析了排查的手段与思路；以KVM为例，深入分析了虚拟化平台CPU steal-time的计算与更新流程，这样在后续碰到类似的问题时，可以更加得心应手了。在平常的项目实践中，遇到了一些疑难问题，如果有知识盲点，花点时间深入研究下背后的原理与机制，学习的效果比单纯的理论研究要好很多。

参考资料

原文作者：Jason Wang

更新日期：2025-05-14, 16:36:36

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  1. 1. 问题定位与排查
  2. 2. 虚拟化中的CPU steal-time
  3. 3. 总结
  4. 4. 参考资料
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