Ubuntu C++ 实时系统监控指南（网速 & CPU）

面向纯新手，基于 Linux 内核虚拟文件系统（sysfs / procfs），用 C++ 实现“每秒刷新”的实时监控工具。

1. 基础知识：数据从哪来？

Linux 系统把内核的运行状态以虚拟文件的形式暴露给用户。我们只需要像读普通文本文件一样读取这些文件，就能拿到硬件和设备的信息。

新手提示：/sys/class 按设备功能分类（如 net/ 放网卡），/proc/stat 是内核统计信息的汇总。两者都是实时动态生成的，每次读取都会返回最新数值。

2. 项目一：实时网速监控（单网卡）

2.1 原理说明

1. 读取 接收字节数（rx_bytes）和 发送字节数（tx_bytes）。


2. 等待 1 秒，再次读取。


3. 计算两次读数的差值，即为这一秒内的实时网速（B/s）。


4. 自动将单位转换为 KB/s 或 MB/s 以方便阅读。

2.2 完整代码（network_speed.cpp）

#include <iostream>

#include <fstream>

#include <string>

#include <unistd.h>

#include <iomanip>



using namespace std;



// 读取指定网卡、指定类型的累计字节数（rx_bytes / tx_bytes）

long long getBytes(const string& interface, const string& type) {

    string path = "/sys/class/net/" + interface + "/statistics/" + type;

    ifstream file(path);

    long long bytes = 0;

    if (file.is_open()) {

        file >> bytes;

        file.close();

    }

    return bytes;

}



// 将 B/s 格式化为带单位的字符串

string formatSpeed(long long bytesPerSec) {

    if (bytesPerSec < 1024) {

        return to_string(bytesPerSec) + " B/s";

    } else if (bytesPerSec < 1024 * 1024) {

        return to_string(bytesPerSec / 1024) + " KB/s";

    } else {

        return to_string(bytesPerSec / (1024 * 1024)) + " MB/s";

    }

}



int main() {

    // 【重要】请将 "eth0" 改成你实际的网卡名（用 ifconfig 或 ip a 查看）

    string interface = "eth0";



    cout << "正在监控网卡: " << interface << endl;

    cout << "按 Ctrl+C 退出监控\n" << endl;



    // 首次读取，作为基准值

    long long prev_rx = getBytes(interface, "rx_bytes");

    long long prev_tx = getBytes(interface, "tx_bytes");



    while (true) {

        sleep(1); // 每秒刷新一次



        long long curr_rx = getBytes(interface, "rx_bytes");

        long long curr_tx = getBytes(interface, "tx_bytes");



        long long rx_speed = curr_rx - prev_rx; // 下载速度

        long long tx_speed = curr_tx - prev_tx; // 上传速度



        prev_rx = curr_rx;

        prev_tx = curr_tx;



        // 使用 \r 让光标回到行首，实现原地刷新效果

        cout << "\r下载: " << setw(10) << formatSpeed(rx_speed)

             << "  上传: " << setw(10) << formatSpeed(tx_speed) << flush;

    }



    return 0;

}

3. 项目二：CPU 使用率监控（多核心版）

3.1 原理说明

1. 
   

   读取 /proc/stat 中所有以 cpu 开头的行（第一行是总数据，后面的 cpu0、cpu1 是各核心数据）。

   
   


2. 
   

   每行包含 10 个数字，我们只需要前 8 个：

   
   
   
   
   • [0] user：用户态程序
   
   
   • [1] nice：低优先级用户态
   
   
   • [2] system：内核态
   
   
   • [3] idle：空闲（重要）
   
   
   • [4] iowait：等待 I/O（也算空闲）
   
   
   • [5] irq：硬中断
   
   
   • [6] softirq：软中断
   
   
   • [7] steal：被虚拟机偷走
   
   
   
   


3. 
   

   使用率公式：

   
   

   使用率=(总时间增量−空闲时间增量)总时间增量×100%使用率=总时间增量(总时间增量−空闲时间增量)×100%

   
   

   其中“空闲时间增量” = idle 增量 + iowait 增量。

   
   

3.2 完整代码（cpu_monitor.cpp）

#include <iostream>

#include <fstream>

#include <string>

#include <unistd.h>

#include <iomanip>

#include <sstream>

#include <map>

#include <vector>



using namespace std;



// 读取 /proc/stat 中所有 cpu 开头的行，返回 map（键=核心名，值=时间数组）

map<string, vector<long long>> readCPUTimes() {

    map<string, vector<long long>> result;

    ifstream file("/proc/stat");

    string line;



    while (getline(file, line)) {

        // 只处理以 "cpu" 开头的行（必须放在开头）

        if (line.rfind("cpu", 0) != 0) continue;



        stringstream ss(line);

        string name;

        ss >> name; // 取出开头的 "cpu" / "cpu0" / "cpu1"



        // 去掉可能出现的干扰项（虽然一般不会）

        if (name != "cpu" && (name.size() < 4 || name[3] < '0' || name[3] > '9')) {

            continue;

        }



        vector<long long> times;

        long long val;

        while (ss >> val) {

            times.push_back(val);

        }



        // 只要前 8 个（多余的 guest 等忽略）

        if (times.size() >= 8) {

            times.resize(8);

            result[name] = times;

        }

    }

    return result;

}



int main() {

    cout << "实时监控 CPU（总体 + 每个核心），按 Ctrl+C 退出\n" << endl;



    // 首次读取作为基准

    map<string, vector<long long>> prev_data = readCPUTimes();



    while (true) {

        sleep(1);



        map<string, vector<long long>> curr_data = readCPUTimes();



        // 清空当前行准备刷新

        cout << "\r" << string(120, ' ') << "\r";



        bool is_first = true;



        // 遍历所有核心（C++98/11 兼容写法）

        for (map<string, vector<long long>>::iterator it = curr_data.begin();

             it != curr_data.end(); ++it) {



            const string& name = it->first;

            const vector<long long>& curr_times = it->second;



            if (prev_data.find(name) == prev_data.end()) continue;

            const vector<long long>& prev_times = prev_data[name];



            // 计算总时间增量

            long long prev_total = 0, curr_total = 0;

            long long prev_idle = 0, curr_idle = 0;



            for (int i = 0; i < 8; i++) {

                prev_total += prev_times[i];

                curr_total += curr_times[i];

            }



            // 空闲 = idle (下标3) + iowait (下标4)

            prev_idle = prev_times[3] + prev_times[4];

            curr_idle = curr_times[3] + curr_times[4];



            long long total_diff = curr_total - prev_total;

            long long idle_diff = curr_idle - prev_idle;



            double usage = 0.0;

            if (total_diff > 0) {

                usage = (double)(total_diff - idle_diff) / total_diff * 100.0;

            }



            // 显示名称美化

            string display_name;

            if (name == "cpu") {

                display_name = "总";

            } else {

                display_name = "核" + name.substr(3); // "cpu0" -> "核0"

            }



            // 用 "|" 分隔不同核心

            if (!is_first) {

                cout << "  |  ";

            }

            is_first = false;



            cout << display_name << ": " << fixed << setprecision(1) << usage << "%";



            // 更新基准值供下一次循环使用

            prev_data[name] = curr_times;

        }

        cout << flush;

    }



    return 0;

}

4. 核心知识点详解

4.1 什么是 stringstream？（摘“路牌”工具）

在 CPU 代码中，我们有一行 stringstream ss(line); 和 ss >> name;。

• 作用：把字符串 "cpu0 50948 0 ..." 变成一个“输入流”，然后可以用 >> 像读 cin 一样逐个单词提取。


• 为什么需要：因为每行的开头是 cpu0（字符串），后面都是数字。如果不先摘掉开头的字符串，后面的 while(ss >> val) 试图将 cpu0 读成 long long 就会报错。

4.2 /proc/stat 第一行（cpu 行）数值对照表

4.3 为什么网速代码要读 statistics 目录？

因为 /sys/class/net/[网卡]/statistics/ 直接由网卡驱动维护，数据精准且开销极低。无需调用复杂的 ioctl 或 socket API，这是 Linux 系统监控工具（如 nethogs、iftop）最底层的取数方式。

5. 编译与运行指南

5.1 准备工作

1. 
   

   将上面的两段代码分别保存为 network_speed.cpp 和 cpu_monitor.cpp。

   
   


2. 
   

   查看自己的网卡名（用于网络监控）：

   
   

   ip a
   
   # 或
   
   ifconfig

   
   

   找出类似 eth0、enp0s3、wlp2s0 的设备名，修改 network_speed.cpp 第 23 行的 interface 变量。

   
   

5.2 编译

建议使用 C++11 标准（兼容性最好）：

# 编译网络监控

g++ -std=c++11 -o network_speed network_speed.cpp



# 编译 CPU 监控

g++ -std=c++11 -o cpu_monitor cpu_monitor.cpp

5.3 运行

# 运行网速监控

./network_speed



# 运行 CPU 监控（另开一个终端）

./cpu_monitor

退出方式：按 Ctrl + C 终止进程。

6. 运行效果示例

• 
  

  网速监控（会原地刷新）：

  
  

  下载:   1.2 MB/s  上传: 345 KB/s

  
  


• 
  

  CPU 监控（双核输出示例）：

  
  

  总: 5.3%  |  核0: 2.1%  |  核1: 8.5%

  
  

7. 常见问题（FAQ）

Q1：编译时提示 to_string 未定义？
A：在编译命令中加上 -std=c++11 即可。

Q2：网络监控显示 0 B/s，但明明在下载东西？
A：检查网卡名是否正确。可以用 cat /sys/class/net/你的网卡/statistics/rx_bytes 手动验证是否有数据增长。

Q3：CPU 监控显示所有核心使用率都是 0.0%？
A：这很正常，说明你的电脑非常空闲。打开浏览器或编译大型程序，数值就会跳动起来。

Q4：rfind("cpu", 0) 是什么意思？
A：rfind 是从字符串末尾往前找，但第二个参数传 0 时表示“从位置 0 开始查找”，结合判断 != 0，就是检查字符串是否以 "cpu" 开头（标准库的 rfind 在这里作用同 find，只是写法上为了兼顾老版本 C++）。

8. 进阶思考

1. 自动检测网卡名：遍历 /sys/class/net/ 目录，跳过名为 lo（本地回环）的虚拟网卡，自动绑定第一个物理网卡。


2. 显示进程级别的流量：可以结合 netlink 或 libpcap 抓包实现。


3. 图形化显示：将输出的数据通过管道传给 gnuplot 或 Python 画图。