编程之美：让CPU占用率曲线听你指挥

Author: Fox

前两天在买《计算机程序设计艺术 》中文版的时候，偶然发现《编程之美 》这本书，当时翻了一下，看到“让CPU占用率曲线听你指挥 ”这样的题目确实让人为之一动。写一段代码，可以让CPU占有率曲线画出平滑的正弦曲线，有点意思:-)。

当然，最后没有买这本书，虽然我可以肯定这是本好书。

我从优快云读书 上找到几节，闲来读一读。今天来讨论一下《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。

在讨论具体实现之前，一个非常重要的问题是：什么是CPU占用率 ？

《编程之美 》写道：“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。 ”

打开“Windows 任务管理器”，“性能”中有“CPU使用记录”一项，给出的就是CPU占有率曲线。

至于一个刷新周期到底是多长，书中 似乎没有明确给出，只是说“大约是1秒钟更新一次”，我打开Windows自带的时钟，也感觉大约是1秒钟。

另外的常识是：

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？（我没有四核，只能猜测了，估计各核间切换也会耗掉点时间，因为我的双核环境并没有出现一核100%，另一核空闲的情况）。

当CPU整个刷新周期（绝大多数时间）空闲时，CPU占有率趋于0。

书中 给出的正弦实现如下：

1   #include " Windows.h "
2   #include " stdlib.h "
3   #include " math.h "  
4  
5   const   double SPLIT =   0.01 ;
6   const   int COUNT =   200 ;
7   const   double PI =   3.14159265 ;
8   const   int INTERVAL =   300 ;
9  
10   int _tmain( int argc, _TCHAR * argv[])
11   {
12       DWORD busySpan[COUNT];  // array of busy times
13       DWORD idleSpan[COUNT];  // array of idle times
14       int half = INTERVAL /   2 ;
15       double radian =   0.0 ;
16       for ( int i =   0 ; i < COUNT; i ++ )
17       {
18           busySpan[i] = (DWORD)(half + (sin(PI * radian) * half));
19           idleSpan[i] = INTERVAL - busySpan[i];
20           radian += SPLIT;
21       }
22       DWORD startTime =   0 ;
23       int j =   0 ;
24       while ( true )
25       {
26           j = j % COUNT;
27           startTime = GetTickCount();
28           while ((GetTickCount() - startTime) <= busySpan[j]) ;
29           Sleep(idleSpan[j]);
30           j ++ ;
31       }
32       return   0 ;
33   }

在单核环境（P4 2.40）下，其表现还是不错的：

点击查看大图

在双核环境（Core2 E4500）下，就有点差强人意 不尽人意了：

点击查看大图

不过，总还能看出是正弦曲线。

上面两图的问题：

1) 单核时曲线不够平滑，是由于QQ等程序占用CPU所致；

2) 双核时曲线更加抖动，我的理解是除其他程序影响外，由于线程没有固定运行在一个CPU上导致的，后面看到书上 提到线程迁移 ，个人感觉这个叫法欠妥啊，总觉得线程迁移 令人费解。

可以立即想到的是：让进程在指定处理器上运行（处理器亲缘关系） ，由Windows提供了两个API可以做到这一点：GetCurrentProcess 和SetProcessAffinityMask 的。

修改之后的代码如下：

1   #include " Windows.h "
2   #include " stdlib.h "
3   #include " math.h "  
4  
5   const   double SPLIT =   0.01 ;
6   const   int COUNT =   200 ;
7   const   double PI =   3.14159265 ;
8   const   int INTERVAL =   300 ;
9  
10   int _tmain( int argc, _TCHAR * argv[])
11   {
12      SetProcessAffinityMask (
13           GetCurrentProcess (),
14           0x00000001          //cpu mask
15           );
16  
17       DWORD busySpan[COUNT];  // array of busy times
18       DWORD idleSpan[COUNT];  // array of idle times
19       int half = INTERVAL /   2 ;
20       double radian =   0.0 ;
21       for ( int i =   0 ; i < COUNT; i ++ )
22       {
23           busySpan[i] = (DWORD)(half + (sin(PI * radian) * half));
24           idleSpan[i] = INTERVAL - busySpan[i];
25           radian += SPLIT;
26       }
27       DWORD startTime =   0 ;
28       int j =   0 ;
29       while ( true )
30       {
31           j = j % COUNT;
32           startTime = GetTickCount();
33           while ((GetTickCount() - startTime) <= busySpan[j]) ;
34           Sleep(idleSpan[j]);
35           j ++ ;
36       }
37       return   0 ;
38   }

双核环境（Core2 E4500）修改之后的输出如下：

点击查看大图

我理想中的表现是：

1) 曲线是平滑的，最好不因其他应用程序或操作的执行而改变；

2) 不管是单核还是双核，峰值皆为100%，谷值为0。

对于第一点，其实就是保证任一刷新周期中的CPU占有率都可以被精确控制在0-100之间，如果你可以使CPU一直保持50%（而不是近似的上下波动），产生一条平滑的曲线就很easy了。

问题的关键在于，除了当前你写的程序可以控制，其他程序或操作如何控制？或者说：如何控制CPU的运行情况才是关键之处 。

PS: 一晚上老是断网，搞得思路频频被打断，兴致也损了大半。总之，《编程之美 》还是值得玩味一把吧:D。

 

原帖地址：http://www.cppblog.com/Fox/archive/2010/12/26/47343.html

《编程之美》：http://book.douban.com/subject/3004255/