《编程之美》学习笔记——指挥CPU占用率

问题:

写一个程序。让用户来决定Windows任务管理器（Task Manager）的CPU占用率（单核）。

有下面几种情况：

1.CPU占用率固定在50%，为一条直线

2.CPU的占用率为一条直线，详细占用率由命令行參数决定（范围1~100）

3.CPU的占用率状态为一条正弦曲线

4.多核处理器情况下上述问题怎么解决

分析与解答

首先确定CPU占用率的定义，即在任务管理器的一个刷新周期内。CPU忙（运行应用程序）的时间和刷新周期总时间的比率，就是CPU的占用率。也能够说成，任务管理器中显示的是每一个刷新周期内CPU占用率的统计平均值。

所以能够写个程序。在一个刷新周期中。一会儿忙，一会儿闲，调节忙/闲比例，就能够控制CPU占有率了。

一个刷新时间是多久，书上说，通过对任务管理器观測，大约是1秒。鼠标移动、后台程序等都会对曲线造成影响！

单核环境下。空死循环会导致100%的CPU占用率。双核环境下，CPU总占用率大约为50%。四核是25%左右。

解法一：简单解法

Busy用可循环来实现，for(i=0;i<n;i++) ;

相应的汇编语言为

loop；
mov dx i     ；将i置入dx寄存器
inc dx       ；将dx寄存器加1
mov dx i     ；将dx中的值赋回i
cmp i n      ；比較i和n
j1 loop      。i小于n时则反复循环

我的cpu是 I5 2410M 2.30GHZ（双核四线程，如图）  由于眼下的cpu每一个时钟周期可运行两条以上的代码，取平均值2，于是（2300000000*2）/5=920000000（循环/秒） 每秒能够运行循环920000000次。

不能简单的取n=920000000然后sleep（1000）。假设让cpu工作1s，歇息1s非常可能是锯齿。先达到一个峰值然后跌入一个非常低的占有率。所以我们睡眠时间改为100ms。100ms比較接近windows的调度时间，n=92000000。假设sleep时间选的太小。会造成线程频繁的唤醒和挂起，无形中添加了内核时间的不确定性因此代码例如以下：

#include <windows.h>  

int main(void)
{
	//Run on CPU 0(0x00000001)(00000001)
	//Run on CPU 1(0x00000002)(00000010)
	//Run on CPU 0 AND CPU 1(0x00000003)(00000101)
	//Run on CPU 2(0x00000004)(00000100)
	//......
 	//SetProcessAffinityMask(GetCurrentProcess(),0x1);//进程与指定cpu绑定
 	SetThreadAffinityMask(GetCurrentThread(), 0x1);//线程与指定cpu绑定
 	while(true)
	{
 		for(int i=0;i<92000000;i++)
 			;
 		Sleep(100);
 	}
 	return 0;
} 

使用SetProcessAffinityMask函数。进程与CPU绑定。得到例如以下图。

使用SetThreadAffinityMask函数，进程与CPU绑定，得到例如以下图。

解法二：使用GetTickCount()和Sleep()

GetTickCount()能够得到“系统启动到如今”所经历的时间的毫秒值，最多能够统计49.7天，能够利用GetTickCount()推断循环的时间，代码例如以下：

#include <windows.h>  

const int busyTime=100;
const int idleTime=busyTime;

int main(void)
{
	double startTime;
	SetProcessAffinityMask(GetCurrentProcess(), 0x1);
	while(true)
	{
		startTime=GetTickCount();
		while((GetTickCount() - startTime) <= busyTime)
		{
			;
		}
		Sleep(idleTime);
	}
	return 0;
} 

效果例如以下图所看到的，与第一种解法效果差点儿相同，由于都如果当前系统仅仅有当前程序在执行，但实际上，操作系统有非常多程序会同一时候调试执行各种任务，如果此刻进程使用20%的cpu。那我们的程序仅仅有使用30%的cpu才干达到50%的效果。

watermark/2/text/aHR0cDovL2Jsb2cuY3Nkbi5uZXQvc2luX2dlZWs=/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70/gravity/SouthEast" alt="">

解法三：能动态适应的解法

使用.Net Framework提供的PerformanceCounter进行查询。详细代码是用C#写的

using System;
using System.Diagnostics;
namespace CPU
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
           cpu(1000);
        }
        static void cpu(double level)
        {
            PerformanceCounter p = new PerformanceCounter("Processor", "% Processor Time", "_Total");
            if (p == null)
            {
                return;
            }
            while (true)
            {
                if (p.NextValue() > level)
                    System.Threading.Thread.Sleep(1000);
            }
        }
    }
}

解法四：正弦曲线

#include <windows.h>
#include <math.h>
int main(void)
{
	SetProcessAffinityMask(GetCurrentProcess(), 0x1);
	const double SPLIT=0.01;
	const int COUNT=200;
	const double PI=3.14159265;
	const int INTERVAL=300;
	DWORD busySpan[COUNT]; //array of busy time
	DWORD idleSpan[COUNT]; //array of idle time
	int half=INTERVAL/2;
	double radian=0.0;
	for(int i=0;i<COUNT;i++)
	{
		busySpan[i]=(DWORD)(half+(sin(PI*radian)*half));
		idleSpan[i]=INTERVAL-busySpan[i];
		radian+=SPLIT;
	}
	DWORD startTime=0;
	int j=0;
	while(true)
	{
		j=j%COUNT;
		startTime=GetTickCount();
		while((GetTickCount()-startTime)<=busySpan[j])
			;
		Sleep(idleSpan[j]);
		j++;
	}
	return 0;
}  

watermark/2/text/aHR0cDovL2Jsb2cuY3Nkbi5uZXQvc2luX2dlZWs=/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70/gravity/SouthEast" alt="">

进一步讨论：

控制CPU占用率。由于要调用Windows的API。要考虑到多核、超线程的情况，要考虑到不同版本号的Windows的计时相关的API的精度不同，使问题变得相当复杂，若再考虑其他程序的CPU占用率，则该问题则变得非常烦人。(taskmgr调用了一个未公开的API)。对CPU核数的推断，书上是调用GetProcessorInfo。事实上能够直接调用GetSystemInfo，SYSTEM_INFO结构的dwNumberOfProcessors成员就是核数。

假设不考虑其他程序的CPU占用情况，能够在每一个核上开一个线程，执行指定的函数。实现每一个核的CPU占用率同样。假设CPU占用率曲线不是周期性变化，就要对每一个t值都要计算一次，否则，能够仅仅计算第一个周期内的各个t值。其他周期的直接取缓存计算结果。

#include<iostream>
#include<cmath>
#include<windows.h>  

static int PERIOD = 60 * 1000; //周期ms
const int COUNT = 300;  //一个周期计算次数
const double GAP_LINEAR = 100;  //线性函数时间间隔100ms
const double PI = 3.1415926535898; //PI
const double GAP = (double)PERIOD / COUNT; //周期函数时间间隔
const double FACTOR = 2 * PI / PERIOD;  //周期函数的系数
static double Ratio = 0.5;  //线性函数的值 0.5即50%
static double Max=0.9; //方波函数的最大值
static double Min=0.1; //方波函数的最小值  

typedef double Func(double);  //定义一个函数类型 Func*为函数指针
typedef void Solve(Func *calc);//定义函数类型，參数为函数指针Func* 

inline DWORD get_time()
{
    return GetTickCount(); //操作系统启动到如今所经过的时间ms
}  

double calc_sin(double x)  //调用周期函数solve_period的參数
{
    return (1 + sin(FACTOR * x)) / 2; //y=1/2(1+sin(a*x))
}
double calc_fangbo(double x)  //调用周期函数solve_period的參数
{
    //方波函数
    if(x<=PERIOD/2) return Max;
    else return Min;
}  

void solve_period(Func *calc) //线程函数为周期函数
{
    double x = 0.0;
    double cache[COUNT];
    for (int i = 0; i < COUNT; ++i, x += GAP)
        cache[i] = calc(x);
    int count = 0;
    while(1)
    {
        unsigned ta = get_time();
        if (count >= COUNT) count = 0;
        double r = cache[count++];
        DWORD busy = r * GAP;
        while(get_time() - ta < busy) {}
        Sleep(GAP - busy);
  }
}  

void solve_linear(Func*)  //线程函数为线性函数，參数为空 NULL
{
    const unsigned BUSY =  Ratio * GAP_LINEAR;
    const unsigned IDLE = (1 - Ratio) * GAP_LINEAR;
    while(1)
    {
        unsigned ta = get_time();
        while(get_time() - ta < BUSY) {}
        Sleep(IDLE);
    }
}  

void run(int i=1,double R=0.5,double T=60000,double max=0.9,double min=0.1)
	//i为输出状态，R为直线函数的值，T为周期函数的周期，max方波最大值，min方波最小值
{
	Ratio=R; PERIOD=T; Max=max; Min=min;
	Func *func[] = {NULL ,calc_sin,calc_fangbo};  //传给Solve的參数。函数指针数组
	Solve *solve_func[] = { solve_linear, solve_period};  //Solve函数指针数组
	SYSTEM_INFO info;
	GetSystemInfo(&info);   //得到cpu数目
	int NUM_CPUS = info.dwNumberOfProcessors;
	HANDLE *handle = new HANDLE[NUM_CPUS];
	DWORD *thread_id = new DWORD[NUM_CPUS]; //线程id  

	switch(i)
	{
	case 1: //cpu0 ,cpu1都输出直线
		{
			for (int i = 0; i < NUM_CPUS; ++i)
			{
				Func *calc = func[0];
				Solve *solve = solve_func[0];
				if ((handle[i] = CreateThread(NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)solve,
					(VOID*)calc, 0, &thread_id[i])) != NULL)  //创建新线程
					SetThreadAffinityMask(handle[i], i); //限定线程执行在哪个cpu上
			}
			WaitForSingleObject(handle[0],INFINITE);   //等待线程结束
			break;
		}
	case 2: //cpu0直线，cpu1正弦
		{
			if ((handle[1] = CreateThread(NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)solve_func[0],
				(VOID*)func[0], 0, &thread_id[1])) != NULL)  //创建新线程
				SetThreadAffinityMask(handle[1], 1); //限定线程执行在哪个cpu上
			Func *calc = func[1];
			Solve *solve = solve_func[1];
			if ((handle[0] = CreateThread(NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)solve,
				(VOID*)calc, 0, &thread_id[0])) != NULL)  //创建新线程
				SetThreadAffinityMask(handle[0], 2); //限定线程执行在哪个cpu上
			WaitForSingleObject(handle[0],INFINITE);   //等待线程结束
			break;
		}
	case 3: //cpu0直线，cpu1方波
		{
			if ((handle[0] = CreateThread(NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)solve_func[0],
				(VOID*)func[0], 0, &thread_id[0])) != NULL)  //创建新线程
				SetThreadAffinityMask(handle[0], 1); //限定线程执行在哪个cpu上
			Func *calc = func[2];
			Solve *solve = solve_func[1];
			if ((handle[1] = CreateThread(NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)solve,
				(VOID*)calc, 0, &thread_id[1])) != NULL)  //创建新线程
				SetThreadAffinityMask(handle[1], 2); //限定线程执行在哪个cpu上
			WaitForSingleObject(handle[0],INFINITE);   //等待线程结束
			break;
		}
	case 4: //cpu0正弦。cpu1方波
		{
			if ((handle[0] = CreateThread(NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)solve_func[1],
				(VOID*)func[1], 0, &thread_id[0])) != NULL)  //创建新线程
				SetThreadAffinityMask(handle[0], 1); //限定线程执行在哪个cpu上
			Func *calc = func[2];
			Solve *solve = solve_func[1];
			if ((handle[1] = CreateThread(NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)solve,
				(VOID*)calc, 0, &thread_id[1])) != NULL)  //创建新线程
				SetThreadAffinityMask(handle[1], 2); //限定线程执行在哪个cpu上
			WaitForSingleObject(handle[0],INFINITE);   //等待线程结束
			break;
		}
	default: break;
	}
}  

void main()
{
    //run(1,0.5);  //cpu1 ,cpu2都输出50%的直线
   run(2,0.5,30000); //cpu1 0.5直线，cpu2正弦周期30000
    //run(3);  //cpu1直线，cpu2方波
    //run(4,0.8,30000,0.95,0.5); //cpu1正弦。cpu2 0.95-0.5的方波
}  

这是是第一次CPU跑直线。第二个CPU跑正弦函数~~~~~~~~·