编程之美：让CPU占用率曲线听你指挥

原文地址：编程之美：让CPU占用率曲线听你指挥

题目：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。

首先什么是CPU占用率？

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。

因此可以写个程序，在一个刷新周期中，一会儿忙，一会儿闲，调节忙/闲比例，就可以控制CPU占有率！

一个刷新时间到底是多长，书上只是说，任务管理器观测，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占有率。双核环境下，CPU总占有率大约为50%，四核会不会是25%左右呢？（没试过）

 

 

解法一：简单解法 

Busy用可循环来实现，for(i=0;i<n;i++) ;

对应的汇编语言为

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         ；比较i和n

j1 loop          ；i小于n时则重复循环

我的cpu（双核） 2.53GHZ 现代cpu每个时钟周期可执行两条以上的代码，取平均值2，于是

（2520 000 000*2）/5=1012000000（循环/秒） 每秒可以执行循环1012000000次

不能简单的取n=10120000000然后sleep（1000），如果让cpu工作1s，休息1s很可能是锯齿，先达到一个峰值然后跌入一个很低的占有率；所以我们睡眠时间改为10ms，10ms比较接近windows的调度时间，n=10120000。如果sleep时间选的太小，会造成线程频繁的唤醒和挂起，无形中增加了内核时间的不确定性因此代码如下：

 

 #include <windows.h>

 int main(void)
 {
     //50%
     //Thread 0 can only run on CPU 0.
     SetThreadAffinityMask(GetCurrentProcess(), 0x00000001);
     while(true)
     {
         for(int i=0;i<10120000;i++)
             ;
         Sleep(10);
     }
     return 0;


 }

自己的截图为： 有锯齿，近似直线吧。。。

 

解法二：使用GetTickCount()和Sleep()

GetTickCount()可以得到“系统启动到现在”所经历的时间的毫秒值，最多可以统计49.7天，因此我们可以利用GetTickCount()判断busy loop要循环多久，如下：

 

 #include <windows.h>

 int main(void)
 {

     //50%
     int busyTime=10;
     int idleTime=busyTime;
     _int64 startTime;
          SetThreadAffinityMask(GetCurrentProcess(), 0x00000001);
     while(true)
     {
         startTime=GetTickCount();
         while((GetTickCount()-startTime)<=busyTime)
         {
             ;
         }
         Sleep(idleTime);
     }
     return 0;
 }

 

截图为： 和解法一结果近似

 

上面两种解法都是假设当前系统只有当前程序在运行，但实际上，操作系统有很多程序会同时调试执行各种任务，如果此刻进程使用10%的cpu，那我们的程序只有使用40%的cpu才能达到50%的效果。

 

Perfmon.exe是从WIN NT开始就包含在windows管理工具中的专业检测工具之一。我们可以用程序来查询Perfmon的值，.Net Framework提供了PerformanceCounter这一对象，可以方便的查询当前各种性能数据，包括cpu使用率，因此解法三如下：

 

解法三：能动态适应的解法

 

 using System;
 using System.Diagnostics;
 namespace cpu
 {
     class Program
     {
         static void Main(string[] args)
         {
            cpu(0.5);
         }
         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(10);
             }
         }
     }
 }

 

结果： 在第二个cpu上？。。。

 

解法四：正弦曲线

 #include <windows.h>
 #include <math.h>
 int main(void)
 {
          SetThreadAffinityMask(GetCurrentProcess(), 0x00000001);
     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;
 }

其中busySpan[i]=(DWORD)(half+(sin(PI*radian)*half));
  idleSpan[i]=INTERVAL-busySpan[i];

这样保证了占有率=busy/(busy+idle)=(half+(sin(PI*radian)*half))/(2*half)=(1+sin(PI*radian))/2 在0到100%之间！。

 

 

结果截图：依然锯齿 近似正弦曲线吧。。。

 

下面更深入讨论，http://www.cnblogs.com/flyinghearts/archive/2011/03/22/1991965.html这篇博文很好，讨论了在双核情况下，每个cpu显示不同的曲线。如下：

控制CPU占用率，不仅仅是出于好玩而已。以前的某些程序，特别是某些老游戏，在新的机器上运行速度太快，必须先给CPU降速，才能顺利运行那些程序，有个共享软件CPUKiller，就是专门弄这个的。

控制CPU占用率，因为要调用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，若再考虑其它程序的CPU占用率，则该问题则变得很烦人。(taskmgr调用了一个未公开的API)。

对CPU核数的判断，书上是调用GetProcessorInfo，其实可以直接调用GetSystemInfo，SYSTEM_INFO结构的dwNumberOfProcessors成员就是核数。不知道超线程对这两种方法有什么影响。

如果不考虑其它程序的CPU占用情况，可以在每个核上开一个线程，运行指定的函数，实现每个核的CPU占用率相同。

要让CPU的占用率，呈函数 y = calc(t) (0 <= y <= 1, t为时间，单位为ms )分布，只要取间隔很短的一系列点，认为在某个间隔内，y值近似不变。

设间隔值为GAP，显然在指定t值附近的GAP这段时间内，

CPU占用时间为：busy = GAP * calc(t)，

CPU空闲时间为：idle = GAP - busy

因此，很容易写出下面这个通用函数：

 void solve(Func *calc)
 {
   double tb = 0;
   while(1)
  {
     unsigned ta = get_time();
     double r = calc(tb);
     if (r < 0 || r > 1) r = 1;
     DWORD busy = r * GAP;
     while(get_time() - ta < busy) {}
     Sleep(GAP - busy);
     tb += GAP;
   }
 }

 

如果CPU占用率曲线不是周期性变化，就要对每个t值都要计算一次，否则，可以只计算第一个周期内的各个t值，其它周期的直接取缓存计算结果。

以CPU占用率为正弦曲线为例，显然：y = 0.5 * (1 + sin(a * t + b))

其周期T = 2 * PI / a  (PI = 3.1415927)，可以指定T值为60s即60000ms，则

 可以确定a值为 2 * PI / T， 若在这60000ms内我们计算200次（c = 200），则GAP值为 T / c = 300ms.也就是说，只要确定了周期和计算次数，其它几个参数也都确定下来。

代码如下

 #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，参数为函数指针Func*
 inline DWORD get_time()
 {
     return GetTickCount(); //操作系统启动到现在所经过的时间ms
 }
 double calc_sin(double x)  //调用周期函数solve_period的参数
 {
     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的参数
 {
     //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，参数为空 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 solve_nonperiod(Func *calc) //非周期函数的处理，暂没实验
 //{
 //  double tb = 0;
 //  while(1)
 //  {
 //    unsigned ta = get_time();
 //    double r = calc(tb);
 //    if (r < 0 || r > 1) r = 1;
 //    DWORD busy = r * GAP;
 //    while(get_time() - ta < busy) {}
 //    Sleep(GAP - busy);
 //    //tb += GAP;
 //    tb += get_time() - ta;
 //  }
 //}

 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的参数，函数指针数组
     Solve *solve_func[] = { solve_linear, solve_period};  //Solve函数指针数组
     const int NUM_CPUS = 2;  //双核，通用的可以用下面GetSystemInfo得到cpu数目
     HANDLE handle[NUM_CPUS];
     DWORD thread_id[NUM_CPUS]; //线程id
     //SYSTEM_INFO info;
     //GetSystemInfo(&info);   //得到cpu数目
     //const int num = info.dwNumberOfProcessors;
     switch(i)
     {
     case 1: //cpu1 ,cpu2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+1); //限定线程运行在哪个cpu上
             }
             WaitForSingleObject(handle[0],INFINITE);   //等待线程结束
             break;
         }
     case 2: //cpu1直线，cpu2正弦
         {
             for (int i = 0; i < NUM_CPUS; ++i)
             {
                 Func *calc = func[i];
                 Solve *solve = solve_func[i];
                 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+1); //限定线程运行在哪个cpu上
             }
             WaitForSingleObject(handle[0],INFINITE);   //等待线程结束
             break;
         }
         case 3: //cpu1直线，cpu2方波
         {

             /*Func *calc = func[0];
             Solve *solve = solve_func[0];*/
             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); //限定线程运行在哪个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); //限定线程运行在哪个cpu上
             WaitForSingleObject(handle[0],INFINITE);   //等待线程结束
             break;
         }
         case 4: //cpu1正弦，cpu2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); //限定线程运行在哪个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); //限定线程运行在哪个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
 }

 

结果如下（双核）

run(1,0.5)：

run(2,0.5,30000)：

run(3)：

run(4,0.8,30000,0.95,0.5)：

结束语：蛋疼时候可以拿任务管理器当示波器玩。。。

补充几个函数的说明：

GetTickCount返回（retrieve）从操作系统启动到现在所经过（elapsed）的毫秒数，它的返回值是DWORD。函数原型： 　　DWORD GetTickCount(void); 
C/C++头文件：winbase.h ；windows程序设计中可以使用头文件windows.h

Sleep()函数
C++中头文件<windows.h>下的函数 作用：延时，程序暂停若干时间。时间，就是他的参数，单位是毫秒。Sleep (500) ; //注意第一个字母是大写。就是到这里停半秒，然后继续向下执行。 　在Linux C语言中 sleep的单位是秒 sleep(5); //停5秒 包含在 <unistd.h>头文件中

CreateThread，建立新的线程
HANDLE CreateThread(
  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,  // pointer to security attributes
  DWORD dwStackSize,                         // initial thread stack size
  LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress,     // pointer to thread function
  LPVOID lpParameter,                        // argument for new thread
  DWORD dwCreationFlags,                     // creation flags
  LPDWORD lpThreadId                         // pointer to receive thread ID
);
概述：
当使用CreateProcess调用时，系统将创建一个进程和一个主线程。CreateThread将在主线程的基础上创建一个新线程，大致做如下步骤：
1在内核对象中分配一个线程标识/句柄，可供管理，由CreateThread返回
2把线程退出码置为STILL_ACTIVE，把线程挂起计数置1
3分配context结构
4分配两页的物理存储以准备栈，保护页设置为PAGE_READWRITE，第2页设为PAGE_GUARD
5lpStartAddr和lpvThread值被放在栈顶，使它们成为传送给StartOfThread的参数
6把context结构的栈指针指向栈顶（第5步）指令指针指向startOfThread函数
语法：
hThread = CreateThread (&security_attributes,dwStackSize,ThreadProc,pParam,dwFlags, &idThread) ; 
参数说明：　　
    第一个参数是指向SECURITY_ATTRIBUTES型态的结构的指针。在Windows 98中忽略该参数。在Windows NT中，它被设为NULL。第二个参数是用于新线程的初始堆栈大小，默认值为0。在任何情况下，Windows根据需要动态延长堆栈的大小。
　　CreateThread的第三个参数是指向线程函数的指针。函数名称没有限制，但是必须以下列形式声明：
DWORD WINAPI ThreadProc (PVOID pParam) ; 
　CreateThread的第四个参数为传递给ThreadProc的参数。这样主线程和从属线程就可以共享数据。
　　CreateThread的第五个参数通常为0，但当建立的线程不马上执行时为旗标CREATE_SUSPENDED。线程将暂停直到呼叫ResumeThread来恢复线程的执行为止。第六个参数是一个指标，指向接受执行绪ID值的变量。

SetThreadAffinityMask：The SetThreadAffinityMask function sets a processor affinity mask for the specified thread.
DWORD_PTR SetThreadAffinityMask(HANDLE hThread, DWORD_PTR dwThreadAffinityMask);
调用SetThreadAffinityMask，能为各个线程设置亲缘性屏蔽：该函数中的h T h r e a d参数用于指明要限制哪个线程， dwThreadAffinityMask用于指明该线程能够在哪个CPU上运行。dwThreadAffinityMask必须是进程的亲缘性屏蔽的相应子集。返回值是线程的前一个亲缘性屏蔽。因此，若要将3个线程限制到CPU1、2和3上去运行，可以这样操作：
//Thread 0 can only run on CPU 0.
SetThreadAffinityMask(hThread0, 0x00000001); //第0位是1
//Threads 1, 2, 3 run on CPUs 1, 2, 3.//第1 2 3位是1
SetThreadAffinityMask(hThread1, 0x0000000E);
SetThreadAffinityMask(hThread2, 0x0000000E);
SetThreadAffinityMask(hThread3, 0x0000000E);

WaitForSingleObject   当指定的对象的状态被标记或者指定的时间间隔过完时，此函数返回DWORD类型参数。
格式：DWORD WaitForSingleObject(HANDLE hHandle,DWORD dwMilliseconds);
参数：hHandle表示对象的句柄，dwMilliseconds指出了时间间隔；过了指定的时间，即使对象状态没发生改变，函数也会返回；如果此参数设为0，函数测试对象的状态并且立即返回；如果此参数设为INFINITE，则表示此函数的时间间隔永远不会流逝完——只有等待对象状态被标识时返回。
返回值：成功：WAIT_OBJECT_0：表示对象的状态被标识
　　　　　　   WAIT_TIMEOUT：表示指定时间已到而对象状态没有被标识
　　　　失败：WAIT_FAILED：表明失败
WaitForSingleObject 函数检查指定对象当前状态，如果对象的状态没有被标识，则调用的线程进入有效的等待状态。在等待对象状态被标识或者指定的时间间隔到期，线程只会占据(consume)处理器一小段时间。时间间隔需要被指定在0到0x7FFFFFFF之间的正数，最大的时间间隔值不等于无穷大而是0x7FFFFFFF，无穷大的时间间隔值是0xFFFFFFFF。任何在0x7FFFFFFF和0xFFFFFFFE之间的值都等同于0x7FFFFFFF；如果你需要一个时间间隔比0x7FFFFFFF还要大的话，使用表示不穷的值0xFFFFFFFF。返回之前，等待函数修改了某些类型的同步对象的状态，只有当对象的信号状态引起了函数的返回时这种修改才发生。例如，一个信号量对象计数减少1。WaitForSingleObject 函数能等待如下的各种对象：事件(Event)、线程(Thread)、进程(Process)、互斥量(Mutex)、信号量(Semaphore)。
使用时要小心调用等待函数和直接或间接产生窗口的代码。如果一个线程创建了窗口，那么它必须处理消息。广播消息发送到系统中的所有窗口。使用一个没有时间间隔的等待函数的线程可能导致系统死锁。例如，动态数据交换（DDE）协议和COM函数CoInitialize两个都间接地创建了可能导致死锁的窗口。因此，如果您有一个线程创建的窗口，使用MsgWaitForMultipleObjects 或者 MsgWaitForMultipleObjectsEx 而不是使用WaitForSingleObject。

 

======================================END===================================