1.1 讓CPU占用率曲線聽你指揮

寫一個程序，讓用戶來決定Windows任務管理器（Task Manager）的CPU占用率。程序越精簡越好，計算機語言不限。例如，可以實現下面三種情況：

1．CPU的占用率固定在50%，為一條直線；

2．CPU的占用率為一條直線，具體占用率由命令行參數決定（參數范圍1~100）；

3．CPU的占用率狀態是一個正弦曲線。

分析與解法

有一名學生寫了如下的代碼：

    while(true)
    {
        if(busy)
            i++；
        else
    }

然后她就陷入了苦苦思索：else干什么呢？怎么才能讓電腦不做事情呢？CPU使用率為0的時候，到底是什么東西在用CPU？另一名學生花了很多時間構想如何“深入內核，以控制CPU占用率”——可是事情真的有這么復雜嗎？

MSRA IEG（Microsoft Research Asia, Innovation Engineering Group）的一些實習生寫了各種解法，他們寫的簡單程序可以達到如圖1-1所示的效果。

看來這并不是不可能完成的任務。讓我們仔細地回想一下寫程序時曾經碰到的問題，如果不小心寫了一個死循環，CPU占用率就會跳到最高，并且一直保持在100%。我們也可以打開任務管理器，實際觀測一下它是怎樣變動的。憑肉眼觀察，它大約是1秒鐘更新一次。一般情況下，CPU使用率會很低。但是，當用戶運行一個程序，執行一些復雜操作的時候，CPU的使用率會急劇升高。當用戶晃動鼠標時，CPU的使用率也有小幅度的變化。

那當任務管理器報告CPU使用率為0的時候，是誰在使用CPU呢？通過任務管理器的“進程（Process）”一欄可以看到，System Idle Process占用了CPU空閑的時間——這時候大家該回憶起在“操作系統原理”這門課上學到的一些知識了吧。系統中有那么多進程，它們什么時候能“閑下來”呢？答案很簡單，這些程序或在等待用戶的輸入，或者在等待某些事件的發生，或者主動進入休眠狀態。

在任務管理器的一個刷新周期內，CPU忙（執行應用程序）的時間和刷新周期總時間的比率，就是CPU的占用率，也就是說，任務管理器中顯示的是每個刷新周期內CPU占用率的統計平均值。因此，我們可以寫一個程序，讓它在任務管理器的刷新期間內一會兒忙，一會兒閑，然后調節忙/閑的比例，就可以控制任務管理器中顯示的CPU占用率。

解法一：簡單的解法

要操縱CPU的使用率曲線，就需要使CPU在一段時間內（根據Task Manager的采樣率）跑busy和idle兩個不同的循環（loop），從而通過不同的時間比例，來調節CPU使用率。

Busy loop可以通過執行空循環來實現，idle可以通過Sleep()來實現。

問題的關鍵在于如何控制兩個loop的時間，我們先試驗一下Sleep一段時間，然后循環n次，估算n的值。

那么對于一個空循環for(i=0; i<n; i++)；又該如何來估算這個最合適的n值呢？我們都知道CPU執行的是機器指令，而最接近于機器指令的語言是匯編語言，所以我們可以先把這個空循環簡單地寫成如下匯編代碼（此代碼為示意性的偽代碼）后再進行分析：

    next:
    mov  eax, dword ptr [i] ；將i放入寄存器
    add  eax,1               ；寄存器加1
    mov  dword ptr [i], eax ；寄存器賦回i
    cmp  eax, dword ptr [n] ；比較i和n
    jl   next                 ; i小于n時重復循環

假設這段代碼要運行的CPU是P4 2.4Ghz（2.4×10的9次方個時鐘周期每秒）。現代CPU每個時鐘周期可以執行兩條以上的代碼，我們取平均值兩條，于是有（2400000000×2）/5=960000000（循環/秒），也就是說CPU 1秒鐘可以運行這個空循環960000000次。不過我們還是不能簡單地將n=960000000，然后Sleep(1000)了事。如果我們讓CPU工作1秒鐘，然后休息1秒鐘，波形很有可能就是鋸齒狀的——先達到一個峰值（>50%），然后跌到一個很低的占用率。

我們嘗試著降低兩個數量級，令n=9600000，而睡眠時間則相應地改為1毫秒（Sleep(10)）。用10毫秒是因為比較接近Windows的調度時間片。如果選得太小（比如1毫秒），會造成線程頻繁地被喚醒和掛起，無形中又增加了內核時間的不確定性。最后我們可以得到代碼清單1-1。

代碼清單1-1

    int main()
    {
        for(; ; )
        {
            for(int i=0; i<9600000; i++)
                ;
            Sleep(10);
        }
        return 0;
    }

在不斷調整9600000的參數后，我們就可以在一臺指定的機器上獲得一條大致穩定的50% CPU占用率直線。

使用這種方法要注意兩點影響：

1．盡量減少sleep/awake的頻率，減少操作系統內核調度程序的干擾；

2．盡量不要調用system call（比如I/O這些privilege instruction），因為它也會導致很多不可控的內核運行時間。

該方法的缺點也很明顯：不能適應機器差異性。一旦換了一個CPU，我們又得重新估算n值。有沒有辦法動態地了解CPU的運算能力，然后自動調節忙/閑的時間比呢？請看下一個解法。

解法二：使用GetTickCount()和Sleep()

我們知道GetTickCount()可以得到“系統啟動到現在”所經歷時間的毫秒值，最多能夠統計到49.7天。我們可以利用GetTickCount()來判斷busy loop要循環多久，偽代碼如清單1-2所示。

代碼清單1-2

    const DWORD busyTime=10;            // 10 ms
    const DWORD int idleTime=busyTime; //same ratio will lead to 50% cpu usage
    Int64 startTime=0;
    while(true)
    {
        DWORD startTime=GetTickCount();
        // busy loop
        while((GetTickCount() - startTime) <=busyTime)
            ;
        // idle loop
        Sleep(idleTime);
    }

這兩種解法都是假設目前系統上只有當前程序在運行，但實際上，操作系統中有很多程序會同時執行各種各樣的任務，如果此刻其他進程使用了10%的CPU，那我們的程序就只能使用40%的CPU，這樣才能達到50%的效果。

怎么做呢？這就要用到另一個工具來幫忙——Perfmon.exe。

Perfmon是從Windows NT開始就包含在Windows管理工具組中的專業檢測工具之一（如圖1-2所示）。Perfmon可獲取有關操作系統、應用程序和硬件的各種效能計數器（perf counter）。Perfmon的用法相當直接，只要選擇你所要檢測的對象（比如：處理器、RAM或硬盤），然后選擇效能計數器（比如監視物理磁盤的平均隊列長度）即可。

我們可以寫程序來查詢Perfmon的值，Microsoft .Net Framework提供了PerformanceCounter這一對象，可以方便地得到當前各種性能數據，包括CPU的使用率。例如下面這個程序（見代碼清單1-3）。

解法三：能動態適應的解法

代碼清單1-3

    // C# code
    static void MakeUsage(float level)
    {
        PerformanceCounter p=new PerformanceCounter("Processor",
          "% Processor Time", "_Total");
        while(true)
        {
            if(p.NextValue() > level)
                System.Threading.Thread.Sleep(10);
        }
    }

可以看到，上面的解法能方便地處理各種CPU使用率參數。這個程序可以解答前面提到的問題2。

有了前面的積累，我們應該可以讓任務管理器畫出優美的正弦曲線了，見代碼清單1-4。

解法四：正弦曲線

代碼清單1-4

    // C++code to make task manager generate sine graph
    #include "Windows.h"
    #include "stdlib.h"
    #include "math.h"
    //把一條正弦曲線0～2π之間的弧度等分成200份進行抽樣，計算每個抽樣點的振幅
    //然后每隔300ms的時間取下一個抽樣點，并讓CPU工作對應振幅的時間
    const int SAMPLING_COUNT=200;  //抽樣點數量
    const double PI=3.14159265;    //pi值
    const int TOTAL_AMPLITUDE=300; //每個抽樣點對應的時間片
    int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
    {
        DWORD busySpan[SAMPLING_COUNT];
        int amplitude=TOTAL_AMPLITUDE / 2;
        double radian=0.0;
        double radianIncrement=2.0 / (double)SAMPLING_COUNT; //抽樣弧度的增量
        for(int i=0; i<SAMPLING_COUNT; i++)
        {
            busySpan[i]=(DWORD)(amplitude+(sin(PI * radian) * amplitude));
            radian+=radianIncrement;
            // printf("%d\t%d\n", busySpan[i], TOTAL_AMPLITUDE- busySpan[i]);
        }
        DWORD startTime=0;
        for (int j=0; ; j=(j+1) % SAMPLING_COUNT
        {
            startTime=GetTickCount();
            while((GetTickCount() - startTime) <=busySpan[j])
                  ;
            Sleep(TOTAL_AMPLITUDE - busySpan[j]);
        }
        return 0;
    }

討論

如果機器是多核或多CPU，上面的程序會出現什么結果？如何在多核或多CPU時顯示同樣的狀態？例如，在雙核的機器上，如果讓一個單線程的程序死循環，能讓兩個CPU的使用率達到50%的水平嗎？為什么？

多CPU的問題首先需要獲得系統的CPU信息。可以使用GetProcessorInfo()獲得多處理器的信息，然后指定進程在哪一個處理器上運行。其中指定運行使用的是SetThreadAffinityMask()函數。

另外，還可以使用RDTSC指令獲取當前CPU核心運行周期數。

在x86平臺上定義函數：

    inline unsigned__int64 GetCPUTickCount()
    {
        __asm
        {
            rdtsc;
        }
    }

在x64平臺上定義：

      #define GetCPUTickCount() __rdtsc()

使用CallNtPowerInformation API得到CPU頻率，從而將周期數轉化為毫秒數，例如代碼清單1-5所示。

代碼清單1-5

    _PROCESSOR_POWER_INFORMATION info;
    CallNTPowerInformation(11,       // query processor power information
        NULL,                         // no input buffer
        0,                            // input buffer size is zero
        &info,                        // output buffer
        sizeof(info));               // outbuf size
    unsigned__int64 t_begin=GetCPUTickCount();
    // do something
    unsigned __int64 t_end=GetCPUTickCount();
    double millisec=(double)(t_end-t_ begin)
    /(double)info.CurrentMhz;

RDTSC指令讀取當前CPU的周期數，在多CPU系統中，這個周期數在不同的CPU之間基數不同，頻率也可能不同。用從兩個不同的CPU得到的周期數來計算會得出沒有意義的值。如果線程在運行中被調度到了不同的CPU，就會出現上述情況。可用SetThreadAffinityMask避免線程遷移。另外，CPU的頻率會隨系統供電及負荷情況有所調整。

總結

能幫助你了解當前線程/進程/系統效能的API大致有以下這些。

1．Sleep()——這個方法能讓當前線程“停”下來。

2．WaitForSingleObject()——自己停下來，等待某個事件發生。

3．GetTickCount()——有人把Tick翻譯成“嘀嗒”，很形象。

4．QueryPerformanceFrequency()、QueryPerformanceCounter()——讓你訪問到精度更高的CPU數據。

5．timeGetSystemTime()——另一個得到高精度時間的方法。

6．PerformanceCounter——效能計數器。

7．GetProcessorInfo()/SetThreadAffinityMask()。遇到多核的問題怎么辦呢？這兩個方法能夠幫你更好地控制CPU。

8．GetCPUTickCount()。想拿到CPU核心運行周期數嗎？用用這個方法吧。

了解并應用了上面的API，就可以考慮在簡歷中寫上“精通Windows”了。