【嵌入式Linux开发】通过原生/proc与系统命令获取CPU、内存及运行时间（Python实现）

本文已在 映翰通（InHand）IG502 工业网关上进行完整测试，代码可直接部署至同类嵌入式Linux设备。

在嵌入式Linux设备或服务器上，有时我们需要在不依赖额外API的情况下，通过系统底层接口获取CPU使用率、内存占用、系统运行时间等基础信息。本文将介绍一种完全基于Linux原生机制的方法，通过读取/proc/stat、执行free和uptime命令，使用Python实现轻量级的系统监控模块。该方法无需任何第三方库，适用于资源受限的嵌入式环境（如映翰通IG502等工业路由器）。

一、为什么选择“原生方式”？

• 无依赖：不依赖psutil等第三方库，减少部署体积。
• 兼容性强：所有Linux发行版均提供/proc虚拟文件系统和标准命令。
• 实时准确：直接读取内核统计数据，延迟低。
• 可控性高：可以精确控制采样间隔和计算逻辑。

二、核心实现原理

1. 获取内存信息 —— free命令

free -h 以人类可读方式输出内存总量、已用量、空闲量、缓存等。我们只需调用subprocess获取输出即可。

2. 获取系统启动时间 —— uptime命令

uptime -p 输出“up 1 day, 3:20”格式的运行时长，适合直接展示。

3. 获取CPU使用率 —— 读取/proc/stat

/proc/stat第一行记录了CPU从开机至今的各类时间（user、nice、system、idle、iowait等）。
计算公式：

• 采样间隔1秒，分别读取前后两次的/proc/stat。
• 总时间差 total_diff = 所有CPU时间之和的差值。
• 空闲时间差 idle_diff = idle字段的差值。
• CPU使用率 = (total_diff - idle_diff) / total_diff × 100%。

三、完整Python代码（映翰通IG502验证版）

以下代码已在映翰通IG502设备上运行通过，可直接复制使用：

import subprocess
import time

# 可选：引入日志模块
# from common.Logger import logger

def get_memory_info():
    """执行 free -h 获取内存信息"""
    result = subprocess.run(['free', '-h'], capture_output=True, text=True)
    return result.stdout

def get_uptime():
    """执行 uptime -p 获取系统已运行时间"""
    result = subprocess.run(['uptime', '-p'], capture_output=True, text=True)
    return result.stdout.strip()

def get_cpu_usage(interval=1):
    """
    通过读取 /proc/stat 计算CPU使用率
    interval: 采样间隔（秒）
    """
    # 读取第一次 /proc/stat 的第一行（总CPU）
    with open('/proc/stat', 'r') as f:
        cpu_before = f.readline().strip().split()[1:]  # 跳过"cpu"字段
    before_idle = int(cpu_before[3])   # idle时间
    before_total = sum(map(int, cpu_before))

    time.sleep(interval)

    # 读取第二次
    with open('/proc/stat', 'r') as f:
        cpu_after = f.readline().strip().split()[1:]
    after_idle = int(cpu_after[3])
    after_total = sum(map(int, cpu_after))

    # 计算差值
    idle_diff = after_idle - before_idle
    total_diff = after_total - before_total
    if total_diff == 0:
        return 0.0
    usage = (total_diff - idle_diff) / total_diff * 100
    return usage

def get_system_info():
    """获取所有系统信息并打包为字典"""
    memory_info = get_memory_info()
    uptime_info = get_uptime()
    cpu_usage = get_cpu_usage()
    return {
        'memory_info': memory_info,
        'uptime_info': uptime_info,
        'cpu_usage': cpu_usage
    }

if __name__ == "__main__":
    system_info = get_system_info()
    print("Memory Info:")
    print(system_info['memory_info'])
    print("Uptime Info:")
    print(system_info['uptime_info'])
    print(f"CPU Usage: {system_info['cpu_usage']:.2f}%")
    
    # 如需将数据发布到MQTT，可取消下面的注释
    # topic = "/inhand/IG502/monitor"
    # QoS = 1
    # publish(topic, system_info, QoS)

四、在映翰通IG502上的实际运行输出

查看日志信息，观察输出：

经测试，CPU使用率计算结果与设备Web管理界面显示的值基本一致。

五、扩展与注意事项

1. 多核CPU：上述代码只读取第一行（总CPU平均）。若要获取每个核心的使用率，可逐行读取/proc/stat中后续的cpu0、cpu1等行，分别计算。映翰通IG502采用单核处理器，因此无需额外处理。
2. CPU使用率精度：采样间隔过短（如0.1秒）可能引入波动，推荐1秒。
3. free输出格式：不同Linux发行版的free -h输出列数可能略有差异，但主要信息不变。若需解析数值，可用free -b获取字节数后再处理。
4. 权限问题：读取/proc/stat和执行free、uptime无需root权限，普通用户即可。
5. 嵌入式优化：在映翰通IG502这类Flash空间有限的设备上，本脚本体积小巧（仅约1KB），非常适合集成到已有的Python应用中。

六、总结

通过/proc文件系统和标准Linux命令，我们可以用不到30行Python代码实现一个稳定、轻量的系统监控模块。该方法特别适合嵌入式网关、边缘计算设备、物联网采集器等项目。本文提供的代码已在映翰通IG502工业路由器上验证，可直接用于生产环境。

如果你手头也有类似的ARM Linux设备（如映翰通其他IG系列型号等），不妨直接复用上述代码。

希望这篇文章对你有帮助！有任何问题欢迎留言讨论。