让CPU的占有率曲线听我指挥
最近我要在公司的一个study group负责AWS的AutoScaling功能的介绍。AWS可以根据instance(虚拟机)的CPU使用量进行scaling。
为了做demo,于是就有这样一个需求:让instance上的CPU听我指挥,当然简单的方法就是写一个死循环,让CPU 100%。但如果make things more interesting,希望实现CPU在某个范围内变化又要怎么做哩?
之前看过,邹欣大神的书《编程之美》,其中第一个问题就是“让CPU占有率曲线听你指挥”,里面提到了一些解法,更有甚者,做到了能让CPU占有率曲线按正弦函数波动。我和同事大神Jason san中午吃饭时聊了这个需求,想不到他下午就分别用C++和Python实现了一种动态适应的解决方法。以下我们就来讨论下这个有趣问题的解法:
首先书上提到一个简单方法让CPU维持在50%:
让CPU在一段时间内(根据Task Manager的采样率)跑busy和idle两个不同的循环,从而通过不同的时间比例,来调节CPU使用率。
那么对于一个空循环
for(i = 0; i < n; i++);
又该如何来估算这个最合适的n的值呢?首先我们把这个空循环简单写成汇编代码(伪代码):
next:
mov eax, dword ptr[i]; i放入寄存器
add exa, ; 寄存器加1
mov dword ptr [i], eax; 寄存器赋回i
cmp eax, dword ptr[n]; 比较i和n
jl next; i小于n时重复循环
假设这段代码要运行的CPU是P4,主频是2.4Ghz(2.4*10的9次方个时钟周期每秒)。现代CPU每个时钟周期可以执行两条以上的代码,我们取平均值两条,于是有
(2 400 000 000*2)/ = 960 000 000 (循环/秒)(这边除以5是因为上面汇编代码有5条汇编语句,尼玛书上没有说清楚,让我这样的小白想了好久……),也就是说CPU每一秒钟可以运行这个空循环960 000 000次。不过我们还是不能简单的将n=960 000 000,然后Sleep(1000)了事。如果我们让CPU工作1秒钟,然后休息1秒钟,波形很有可能就是锯齿状的一样先到达峰值(>50%),然后跌倒一个很低的占用率。
我们尝试着降低两个数量级,令n = 9 600 000,而睡眠时间则相应的改为10毫秒。代码清单如下:
int main()
{
for(; ;)
{
for(int i = ; i < ; i++)
;
sleep()
}
return ;
}
再不断调整参数后,就能得到一条大致稳定的CPU占有率直线。
但是这个方法最大的问题是,参数都是根据特定机器算出来的。在其他机器上要重新调整,所以需要有更加智能的方法。
之后书中给出了另外两个解法:
解法二:使用了系统API:GetTickCount()和Sleep()
解法三:使用工具Perfmon.exe
具体我就不列出来了,大家有兴趣去看书吧。(我这样给这本书打广告了,大神不会告我侵权了吧……^_^)
但是,这些方法都没有考虑到多核和多CPU的情况,书中提到对于多CPU的问题首先需要获得系统的CPU信息。可以使用GetProcessorInfo()获得多处理器的信息,然后指定进程在哪一个处理器上运行。其中指定运行使用的是SetThreadAffinityMask()函数。
另外,还可以使用RDTSC指令获取当前CPU核心运行周期数。
在x86平台定义函数:
inline unsigned_int64 GetCPUTickCount()
{
_asm
{
rdtsc;
}
}
在x64平台上定义:
#define GetCPUTickCount()_rdtsc()
使用CallNtPowerInformation API得到CPU频率,从而将周期数转化为毫秒数。(这边这段有点不知所云了……)
这边我给出两段代码,分别用C++和Python实现,通过动态获取CPU的状态,调整线程的数量来实现让CPU保持在某一个值,且考虑了多CPU情况。
#define _WIN32_WINNT 0x0502 #include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <ctime> #include <Windows.h>
#include <process.h> #define TARGET_CPU_RATE (80.0) extern "C" {
typedef struct _CONTROL_PARAM
{
volatile LONG m_exit;
volatile LONGLONG m_rest;
} CONTROL_PARAM;
}; static CONTROL_PARAM g_param; unsigned __stdcall task_thread(void *pparam)
{
if (!pparam)
return ; CONTROL_PARAM *pctrl = (CONTROL_PARAM *)pparam; LONGLONG rest64 = ;
while (true)
{
if (rest64 > pctrl->m_rest)
{
Sleep();
rest64=;
}
else
rest64++;
} return ;
} inline unsigned __int64 u64_time(FILETIME &_ft)
{
unsigned __int64 u64;
u64 = _ft.dwHighDateTime;
u64 = u64 << ;
u64 |= _ft.dwLowDateTime;
return u64;
} int main()
{
SYSTEM_INFO sys_info;
ZeroMemory(&sys_info, sizeof(SYSTEM_INFO)); GetSystemInfo(&sys_info);
int cpu_cnt = (int)sys_info.dwNumberOfProcessors; if ( == cpu_cnt)
cpu_cnt = ;
printf("cpu count: %d\n", cpu_cnt); g_param.m_rest = (DWORD)-;
for (int i=; i<cpu_cnt; ++i)
{
_beginthreadex(NULL,,task_thread,&g_param,,NULL);
} FILETIME idleTime;
FILETIME kernelTime;
FILETIME userTime; FILETIME last_idleTime;
FILETIME last_kernelTime;
FILETIME last_userTime; bool initialized = false; while (true)
{
if (GetSystemTimes(&idleTime,&kernelTime,&userTime))
{
if (initialized)
{
unsigned __int64 usr = u64_time(userTime) - u64_time(last_userTime);
unsigned __int64 ker = u64_time(kernelTime) - u64_time(last_kernelTime);
unsigned __int64 idl = u64_time(idleTime) - u64_time(last_idleTime); double sys = ker + usr;
double cpu = (sys - (double)idl) / sys * 100.0; double dif = TARGET_CPU_RATE - cpu;
g_param.m_rest = (LONGLONG)((double)g_param.m_rest * (1.0 + dif/100.0)); printf("rest = %I64d, cpu = %d\n", g_param.m_rest, (int)cpu);
}
else
initialized = true; last_idleTime = idleTime;
last_kernelTime = kernelTime;
last_userTime = userTime;
} Sleep();
} return getchar();
}
Python程序:
from ctypes import windll, Structure, byref, c_longlong
from ctypes.wintypes import DWORD import win32api
import multiprocessing WinGetSystemTimes = windll.kernel32.GetSystemTimes class FILETIME(Structure):
_fields_ = [ ("dwLowDateTime", DWORD), ("dwHighDateTime", DWORD) ] def pyGetSystemTimes():
idleTime, kernelTime, userTime = FILETIME(), FILETIME(), FILETIME()
WinGetSystemTimes(byref(idleTime), byref(kernelTime), byref(userTime))
return (idleTime, kernelTime, userTime) def longTime(ft):
tm = ft.dwHighDateTime
tm = tm << 32
tm = tm | ft.dwLowDateTime
return tm TARGET_CPU_RATE = 70.0 def worker(val):
rest = 0
while (True):
if rest > val.value:
rest = 0
win32api.Sleep(1)
else:
rest += 1 if __name__ == '__main__':
sys_info = win32api.GetSystemInfo()
cpu_cnt = sys_info[5] val = multiprocessing.Value(c_longlong, 100, lock=False)
print type(val.value) threads = []
for i in range(cpu_cnt):
p = multiprocessing.Process(target=worker, args=(val,))
p.start()
threads.append(p) initialized = False
last_times = (FILETIME(), FILETIME(), FILETIME())
while (True):
cur_times = pyGetSystemTimes() if initialized:
usr = longTime(cur_times[2]) - longTime(last_times[2])
ker = longTime(cur_times[1]) - longTime(last_times[1])
idl = longTime(cur_times[0]) - longTime(last_times[0]) sys = float(ker + usr)
cpu = (sys - float(idl)) / sys * 100.0; dif = TARGET_CPU_RATE - cpu;
val.value = long(float(val.value) * (1.0 + dif / 100.0)); print "rest=", val.value, ", cpu=", int(cpu)
else:
initialized = True last_times = cur_times
win32api.Sleep(300)
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