Linux下实现CPU使用率正弦曲线

 编程之美第一道题目就是如何让CPU使用率曲线成为一条正弦曲线，本文在Linux下实现这个效果。

程序运行时间

一个进程的运行时间大致分为user time,kernel time和waiting time

三个时间加起来就是进程从开始到结束用的时间。

user time是进程在用户空间执行的时间

kernel time是进程在内核空间执行的时间

waiting time是进程等待IO或者其他事件所用的时间

例如

int main()
{
    int i;
    for(i = 0; i < 100000000; i ++) //用户空间执行
        getpid(); //系统调用，内核空间执行
    //scanf和printf是C标准库里的，还要调用Linux的系统调用read和write
    scanf("%d\n",&i);
    printf("%d\n",i);
    return 0;
}

使用time命令可以显示进程运行的时间，real，user,sys。大部分时间都用来等IO了，因为人输入的速度远小于计算机的速度。

CPU的使用率是指所有进程的user time和kernel time之和除以real time。而一般情况下，user time远大于kernel time。

如果一个系统中CPU使用率几乎为0，那么我们可以写个程序控制CPU的使用率。

 

while(1)
{
     for(i = 0; i < 100000; i ++);  //CPU忙，占用的时间是user time
     usleep(10000); //CPU闲，属于waiting time
}

 

让CPU一直维持在50%

 

让进程50%的时间做循环，%50的时间sleep就行了

 

int main()
{
 int i;
 while(1)
 {
 for(i = 0; i < n; i++);
 usleep(m);
 }
 return 0;
}

关键是如何确定n和m的值。

我们先把m定死，进程睡眠60ms，linux调度时的时间片好像是15ms，但是usleep精度较低，所以我们让它睡的时间长点。

然后再确定n，先随便给n一个值，看看汇编代码里使用了几条指令：

 

.L2:
        movl    $0, -8(%ebp)
        jmp     .L3
.L4:
        addl    $1, -8(%ebp)
.L3:
        cmpl    $3999999, -8(%ebp)
        jle     .L4
        movl    $60000, (%esp)
        call    usleep
        jmp     .L2

红色的是内层循环，有3条指令。CPU主频是2.27GHz，如果按一个时钟周期执行一条的话，那么执行三条指令的时间为2.27x10 -9x3 = 6.9x10 -9s，要执行60ms，循环数n的大小为

60x10 -3 / 6.9x10 -9 = 8.69 x 10 6 

试一试这个数，8690000

CPU使用率稳定在38%左右，看来我们低估了CPU的能力。我们可以根据38%这个数计算出n的大小了

CPU时间/(CPU时间+60ms）= 38%,因此86900使用的cpu时间为 36ms，8690000:36=n:60，求得n等于1448333，这次CPU使用率很精确的停留在50%左右。

 

我刚才只注意进程cpu使用的CPU资源了，忘了还有其它进程的，其他进程目前大约占了%3，稍微调整一下n，n=13200000，得到了50%的曲线，当然会有点波动。

 

注：上面说一个时钟周期执行一条指令是不合适的，各种指令的执行时间不同。计算机里的周期主要有时钟周期，机器周期，指令周期。一条指令的周期称为指令周期，由几个机器周期做成，而一个机器组成由几个时钟周期组成。上面的三条指令都需要取内存，因此时间长。如果把循环变量放在寄存器里，那么用的时间要小的多：

将内存数-8(%ebp)改为寄存器数%ebx

.L2:
        movl    $0, %ebx
        jmp     .L3
.L4:
        addl    $1, %ebx
.L3:
        cmpl    $13199999, %ebx
        jle     .L4
        movl    $60000, (%esp)
        call    usleep
        jmp     .L2

CPU利用率由50%降到了20%。性能提高了60%。可见即使C语言写的程序，也有很大的优化空间，其实编译时加上-O也能达到这个效果。使用gcc的-O选项，也是20%，查看汇编代码，发现就是把-8(%ebp)用%eax代替了，和我直接修改的是一样。-O默认使用2级优化。其实gcc还可以进一步优化，将循环展开，不过这里的n太大，展开的话代码太多，优化到使用寄存器替代内存数就挺好了。

Java写的程序，性能是C程序的几十分之一！

 

让CPU使用率为正弦曲线

上面的程序n值在不同的机器上是不一样的。我们换个思想实现。还是把睡眠时间定死，60ms。

//伪代码
int main()
{
    int start_time, current_time;
    while(1)
    {
        start_time = GetCurrentTime();
        current_time = start_time;
        while(current_time - start_time < 60)
            current_time = GetCurrentTime();
        sleep(60);
    }
}

关键是如何获取当前时间。Windows下可以使用GetTickCount()，Linux下可以使用gettimeofday()。

 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    struct timeval tv;
    long long start_time,end_time;
    while(1)
    {
        gettimeofday(&tv,NULL);
        start_time = tv.tv_sec*1000000 + tv.tv_usec;
        end_time = start_time;

        while((end_time - start_time) < 60000)
        {
            gettimeofday(&tv,NULL);
            end_time = tv.tv_sec*1000000 + tv.tv_usec;
        }
        usleep(60000);
    }
    return 0;
}

 

 

现在我们用这种方法实现CPU使用率的正弦曲线。

首先要确定这个曲线的函数。这个函数的最大值是1，最小值是0，因此肯定是0.5(sin(tx) + 1)。

怎么确定t呢？

我们可以认为，曲线的更新周期应该大于100ms，我们以100ms为单位，把100ms的平均使用率作为这100ms末的使用率。

 

假如我们希望10s能出一个完整的波形，100ms计算一次，那就需要计算100次。这样我们要准备两个大小为100的数组，分别保存循环时间和睡眠时间。

而且满足，第一个数组循环时间为0，睡眠时间为100，第50个数组循环时间为100，睡眠时间为0，第100个数组循环时间为0，睡眠时间为100.

这样我们就确定了t了。100个数组下标为横坐标，那么周期是100，t=2x3.14/100 = 0.0628.

代码如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <math.h>
int main()
{
    struct timeval tv;
    long long start_time,end_time;
    long long busy_time[100];
    long long idle_time[100];
    int i;
    for(i = 0; i < 100; i++)
    {
        busy_time[i] = 100000 * 0.5 * (sin(i*0.0628) + 1);
        idle_time[i] = 100000 - busy_time[i];
    }
    i = 0;
    while(1)
    {
        gettimeofday(&tv,NULL);
        start_time = tv.tv_sec*1000000 + tv.tv_usec;
        end_time = start_time;

        while((end_time - start_time) < busy_time[i])
        {
            gettimeofday(&tv,NULL);
            end_time = tv.tv_sec*1000000 + tv.tv_usec;
        }
        usleep(idle_time[i]);
        i = (i+1)%100;
    }
    return 0;
}

 

效果还不错：

 

上面的程序都是在单CPU下完成的。如果在多CPU下，可以指定此进程只运行在某个CPU上，不再赘述了。

 

 

 

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