题目《让 CPU 占用率曲线听你指挥》

 

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。程

序越精简越好，计算机语言不限。例如，可以实现下面三种情况：

1. CPU的占用率固定在50%，为一条直线；

2. CPU的占用率为一条直线，但是具体占用率由命令行参数决定（参数范围1~ 100）；

3. CPU的占用率状态是一个正弦曲线。

MSRA TTG（Microsoft Research Asia, Technology Transfer Group）的一些实习生写了各

种解法，他们写的简单程序可以达到如图所示的效果。

 

看来这并不是不可能完成的任务。让我们仔细地回想一下写程序时曾经碰到的问题，如

果我们不小心写了一个死循环，CPU 占用率就会跳到最高，并且一直保持 100%。我们也可

以打开任务管理器 ，实际观测一下它是怎样变动的。凭肉眼观察，它大约是 1 秒钟更新一

次。一般情况下，CPU 使用率会很低。但是，当用户运行一个程序，执行一些复杂操作的

时候，CPU 的使用率会急剧升高。当用户晃动鼠标时，CPU 的使用率也有小幅度的变化。

那当任务管理器报告 CPU 使用率为 0 的时候，谁在使用 CPU 呢？通过任务管理器的“进

程（Process）”一栏可以看到，System Idle Process 占用了 CPU 空闲的时间——这时候大家该

回忆起在“操作系统原理”这门课上学到的一些知识了吧。系统中有那么多进程，它们什么时

候能“闲下来”呢？答案很简单，这些程序或者在等待用户的输入，或者在等待某些事件的发生，

或者进入休眠状态（通过 Sleep()来实现）。生（WaitForSingleObject()）

在任务管理器的一个刷新周期内，CPU 忙（执行应用程序）的时间和刷新周期总时间的

比率，就是 CPU 的占用率，也就是说，任务管理器中显示的是每个刷新周期内 CPU 占用率

的统计平均值。因此，我们写一个程序，让它在任务管理器的刷新期间内一会儿忙，一会儿

闲，然后通过调节忙/闲的比例，就可以控制任务管理器中显示的 CPU 占用率。

【解法一】简单的解法

步骤 1

要操纵 CPU 的 usage 曲线，就需要使 CPU 在一段时间内（根据 Task

Manager 的采样率）跑 busy 和 idle 两个不同的 loop，从而通过不同的时间

比例，来获得调节 CPU Usage 的效果。

步骤 2

Busy loop 可以通过执行空循环来实现，idle 可以通过 Sleep()来实现。

问题的关键在于如何控制两个 loop 的时间，方法有二：

Sleep一段时间，然后以for循环n次，估算n的值。

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 值呢？

我们都知道 CPU 执行的是机器指令，而最接近于机器指令的语言是汇编语言，所以我们可

以先把这个空循环简单地写成如下汇编代码后再进行分析：

 

假设这段代码要运行的 CPU 是 P4 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，那么我们就取平均值两条，于是让（2 400 000

000 * 2）/5=960 000 000（循环/秒），也就是说 CPU 1 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地将 n = 60 000 000，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——先达到一个峰值（大于>50%），

然后跌到一个很低的占用率。

我们尝试着降低两个数量级，令 n = 9 600 000，而睡眠时间相应改为 10 毫秒

（Sleep(10)）。用 10 毫秒是因为它不大也不小，比较接近 Windows 的调度时间片。如果选

得太小（比如 1 毫秒），则会造成线程频繁地被唤醒和挂起，无形中又增加了内核时间的不确定性影响。最后我们可以得到如下代码： 代码清单 1-1 int main() {    for(;;)    {        for(int i = 0; i < 9600000; i++);        Sleep(10);    }    return 0; }   在不断调整 9 600 000 的参数后，我们就可以在一台指定的机器上获得一条大致稳定的 50% CPU 占用率直线。 使用这种方法要注意两点影响： 1. 尽量减少sleep/awake的频率，如果频繁发生，影响则会很大，因为此时优先级更高 的操作系统内核调度程序会占用很多CPU运算时间。 2. 尽量不要调用system call（比如I/O这些privilege instruction），因为它也会导致很多不 可控的内核运行时间。 该方法的缺点也很明显：不能适应机器差异性。一旦换了一个 CPU，我们又得重新估 算 n 值。有没有办法动态地了解 CPU 的运算能力，然后自动调节忙/闲的时间比呢？请看下 一个解法。 【解法二】使用 GetTickCount()和 Sleep() 我们知道 GetTickCount()可以得到“系统启动到现在”的毫秒值，最多能够统计到 49.7 天。另外，利用 Sleep()函数，最多也只能精确到 1 毫秒。因此，可以在“毫秒”这个量级做 操作和比较。具体如下： 利用 GetTickCount()来实现 busy loop 的循环，用 Sleep()实现 idle loop。伪代码如下： 代码清单 1-2 int busyTime = 10; //10 ms int idleTime = busyTime; //same ratio will lead to 50% cpu usage Int64 startTime = 0; while (true) {    startTime = GetTickCount();    // busy loop的循环     while ((GetTickCount() - startTime) <= busyTime) ; //idle loop Sleep(idleTime); } 这两种解法都是假设目前系统上只有当前程序在运行，但实际上，操作系统中有很多程 序都会在不同时间执行各种各样的任务，如果此刻其他进程使用了 10% 的 CPU，那我们的 程序应该只能使用 40%的 CPU（而不是机械地占用 50%），这样可达到 50%的效果。 怎么做呢？ 我们得知道“当前CPU 占用率是多少” 这就要用到另一个工具来帮忙——Perfmon.exe。， Perfmon 是从 Windows NT 开始就包含在 Windows 服务器和台式机操作系统的管理工具 组中的专业监视工具之一（如图 1-2 所示）。Perfmon 可监视各类系统计数器，获取有关操 作系统、应用程序和硬件的统计数字。Perfmon 的用法相当直接，只要选择您所要监视的对 象（比如：处理器、RAM 或硬盘），然后选择所要监视的计数器（比如监视物理磁盘对象 时的平均队列长度）即可。还可以选择所要监视的实例，比如面对一台多 CPU 服务器时， 可以选择监视特定的处理器。   我 们 可 以 写 程 序 来 查 询 Perfmon 的 值 ， Microsoft .Net Framework 提 供 了 PerformanceCounter()这一类型，从而可以方便地拿到当前各种计算机性能数据，包括 CPU 的使用率。例如下面这个程序——