CPU利用率编程

让多核CPU占用率曲线听你指挥——《编程之美》1.1学习笔记

 Problem:

写一个程序，让用户来决定Windows任务管理器（Task Manager）的CPU占用率。有以下几种情况： 1.CPU占用率固定在50%，为一条直线； 2.CPU的占用率为一条直线，具体占用率由命令行参数决定（范围1~100）； 3.CPU的占用率状态为一条正弦曲线。 

分析与解法：

 （1）通过观察任务管理器，它大约1s更新一次。当CPU使用率为0时，System Idle Process占用了CPU的空闲时间。 

System Idle Process在CPU空闲的的时候，发出一个IDLE命令，使CPU挂起（暂时停止工作），可有效的降低CPU内核的温度，无法终止。在这个进程里出现的CPU占用数值并不是真正的占用而是体现的CPU的空闲率，也就说这个数值越大CPU的空闲率就越高，反之就是CPU的占用率越高。Linux中对应的进程为init,PID为1。

 当系统中的进程或者在等待用户输入，或者在等待某些事件的发生（发出I/O请求等待I/O响应），或者主动进入休眠状态（比如Sleep()）。 

在任务管理器中的一个刷新周期内，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。其显示的是每个刷新周期内CPU占用率的统计平均值。我们可以写一个程序让它在任务管理器的刷新时间内一会儿忙，一会儿闲，通过调节忙/闲的比例，来控制任务管理器中显示的CPU占用率。

 书上的代码以单核CPU为前提，但对于多核CPU来说，同一个进程可能被CPU的任务分配器分配到不同的核心上执行，所以造成无法让任务管理器达到预想的效果。其实打开任务管理器，可以看到多个CPU使用记录。本人电脑CPU是Core i5 450M,双核4线程。在OS看来就如同有四个CPU工作一样。我的任务管理器中就有四个CPU使用记录。 

所谓超线程技术就是利用特殊的硬件指令，把多线程处理器内部的两个逻辑内核模拟成两个物理芯片，从而使单个处理器就能“享用”线程级的并行计算的处理器技术。多线程技术可以在支持多线程的操作系统和软件上，有效的增强处理器在多任务、多线程处理上的处理能力。

 可以使用SetProcessAffinityMask()函数可以使特定的处理器运行指定进程。 

BOOL SetProcessAffinityMask(HANDLE hProcess, DWORD_PTR dwProcessAffinityMask);

 第一个参数用来指定指定哪个进程，传入它的句柄。第二个进程用来指定哪个CPU核心来执行此进程。

 DWORD_PTR,其实就是unsigned long*.Unsigned long type for pointer precision.Use when casting a pointer to a long type to perform pointer arithmetic.(Also commonly used for general 32-bit parameters that have been extended to 64 bits in 64-bit windows.)

 DWORD 其实就是unsigned long。Windows下常用来保存地址或存放指针。

 比如这样调用函数：

  ::SetProcessAffinityMask(::GetCurrentProcess(),0x00000001);可以指定当前执行的进程在第一个CPU上运行。对于双核CPU，

  ::SetProcessAffinityMask(::GetCurrentProcess(),0x00000002);可以指定在第二个CPU上运行。

  ::SetProcessAffinityMask(::GetCurrentProcess(),0x00000003);可以允许在两个CPU上任意运行。

 HANDLE GetCurrentProcess(void);

 可以获得当前进程的句柄。注意，这个句柄为一个伪句柄。只能在我们的进程中才能代表当前进程的句柄，事实上这个函数目前只是简单的返回-1这个值。也就是说在我们的程序中-1便能表示本进程的句柄。

 （2）那么对于绘制50%直线，程序代码为：

 #include <Windows.h>

1. #include<stdlib.h>
2. #include<tchar.h>
3. int _tmain(int argc,_TCHAR* argv[])
4. {
5. int busyTime = 10;
6. int idleTime = busyTime*5;
7. __int64startTime = 0;
8. ::SetThreadAffinityMask(::GetCurrentProcess(),0x00000001);
9. while(true)
10. {
11. startTime = GetTickCount();
12. //busy loop
13. while((GetTickCount() - startTime) <= busyTime);
14. //idle loop
15. Sleep(idleTime);
16. }
17. return 0;
18. }

 GetTickCount()可以得到系统从启动到运行到现在所经历时间的毫秒值。最多能统计到49.7天。我们利用它判断busy loop要持续多久。

 其中idleTime为busyTime的五倍，可以修改其值使其更逼近50%。不同机子的情况不同。

 __int64是VC++的64位扩展。范围为[-2^63,2^63)。当64位与32位混合运算时，32位整数会隐式转换成64位整数。输入输出它时使用cin、cout会造成错误。需要使用scanf("%I64d",&a);和printf("%I64d",a);

 还有unsigned __int64，其范围为[0,2^64)。

 对应g++中的64位扩展为long long和unsigned long long。范围与运算与上相仿。输入输出使用scanf("%lld",&a);和printf("%lld",a);

 int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])。

 _tmain这个符号多见于VC++创建的控制台工程中，这个是为了保证移植unicode而加入的（一般_t、_T、T()这些东西都和unicode有关系）。定义在头文件tchar.h中。

 （3）对于绘制正弦曲线：

 #include <Windows.h>

1. #include<stdlib.h>
2. #include<math.h>
3. #include<tchar.h>
4. const double SPLIT = 0.01;
5. const int COUNT = 200;
6. const double PI = 3.14159265;
7. const int INTERVAL = 300;
8. int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[] )
9. {
10. DWORDbusySpan[COUNT]; //array of busy times
11. DWORDidleSpan[COUNT]; //array of idle times
12. int half = INTERVAL/2;
13. double radian = 0.0;
14. //如何近似趋近一条正弦曲线？这样！
15. for(int i = 0; i < COUNT; ++i)
16. {
17. busySpan[i] = (DWORD)(half + (sin(PI * radian) * half));
18. idleSpan[i] = INTERVAL - busySpan[i];
19. radian += SPLIT;
20. }
21. DWORDstartTime = 0;
22. int j = 0;
23. ::SetProcessAffinityMask(::GetCurrentProcess(),0x00000002);
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. }

 

通过在一个周期2*PI中等分200份，将每一个间隔点的half + （sin( PI * radian) * half))的值存入busySpan[i]，将其补植存入idleSpan[i]。half是整个值域INTERVAL的一半。这样可以近似趋近一条正弦曲线。

 

运行效果为：

 

（4)可以通过RDTSC指令获得当前CPU核心运行周期数。

 

在x86平台上定义函数：

 

1. inline __int64GetCPUTickCount()
2. {
3. __asm
4. {
5. rdtsc;
6. }
7. }

 

在x64平台上定义：

 

#define GetCPUTickCount() __rdtsc()

 

使用CallNtPowerInformation API得到CPU频率，从而将周期数转化为毫秒数，例如如下：

 

1. _PROCESSOR_POWER_INFORMATIONinfo;
2. CallNTPowerInformation(11, //query processor power information
3. NULL, //no input buffer
4. 0, //input buffer size is zero
5. &info, //output buffer
6. sizeof(info) //outbuf size
7. );
8. __int64t_begin = GetCPUTickCount();
9. //do something
10. __int64t_end = GetCPUTickCount();
11. millisec = ((double)t_end - (double)t_begin)/(double)info.CurrentMhz;

 

RDTSC指令读取当前CPU的周期数，在多CPU系统中这个周期数在不同的CPU间基数不同，频率也不同。用从两个不同的CPU得到的周期数来计算会得出没有意义的值。所以需要用SetProcessAffinityMask避免进程迁移。另外，CPU的频率也会随系统供电及负荷情况有所调整。