编程之美读书笔记1.1——让CPU占用率曲线听你的指挥

Posted 2023-01-24 -柚子皮-

http://blog.csdn.net/pipisorry/article/details/36189155

<strong><span style="font-size:48px;color:#ff0000;">问题：</span></strong>写一个程序，让用户来决定Windows任务管理器（Task Manager）的CPU占用率。

如果机器是多CPU，上面的程序会出现什么结果？如何在多个CPU时显示同样的状态？例如，在双核的机器上，如果让一个单线程的程序死循环，能让两个CPU的使用率达到50%的水平么？为什么？多CPU的问题首先需要获得系统的CPU信息。可以使用GetProcessorInfo()获得多处理器的信息,然后指定进程在哪一个处理器上运行。其中指定运行使用的是SetThreadAffinityMask()函数。

书中提到两个重要的API，GetProcessorInfo()与SetThreadAffinityMask()。经查询MSDN，GetProcessorInfo()是Windows Server上的API，在PC机上不好用，所以可以尝试GetSystemInfo()来获得核数。

实际上在Windows平台上直接用任务管理器就可以查看，任务管理器上会用四个窗口来显示CPU的使用情况（Windows7 酷睿i5-3230M）

四核都显示正弦曲线算法：

参考代码：

/*********************************************************************************************/
/* 控制cpu占用率曲线（50%直线、1~100任意直线、正弦曲线）皮皮 2014-6-30 */
/********************************************************************************************/
#include <Windows.h>
#include <stdio.h>
#include <math.h>
using namespace std;

const int SAMPLE_NUM = 200;
DWORD busy_time[200];
const DWORD TOTAL_TIME_SLICE = 100; //每隔100ms取下一个采样点，让cpu工作在对应振幅的时间
const DWORD HALF_TOTAL_TIME_SLICE = TOTAL_TIME_SLICE/2;
//sine 曲线
void sine()
DWORD pre_time;
for(int i = 0 ; ; i = (i+1)%SAMPLE_NUM )
pre_time = GetTickCount();
while( (GetTickCount() - pre_time) <= busy_time[i]);//cpu忙
Sleep(TOTAL_TIME_SLICE - busy_time[i]);//cpu闲




const double PI_L = 0.031415926535;
//对sine采样
void sine_sampling()
for(int i = 0 ; i < SAMPLE_NUM ; i++)
busy_time[i] = (DWORD)( sin( PI_L*i )*HALF_TOTAL_TIME_SLICE + HALF_TOTAL_TIME_SLICE );//busy_time值范围 （-1~1） *50+50 = (0~100)
//printf("busy_time[%d] = %d\\n",i,busy_time[i]);




void main()
sine_sampling();

//printf("CurrentProcessorNumber : %d\\n",(int)GetCurrentProcessorNumber());
SYSTEM_INFO info;
    GetSystemInfo(&info); //调用API函数来获取计算机硬件的信息
printf("dwNumberOfProcessors : %d\\n",info.dwNumberOfProcessors);//cpu核数

DWORD dwThreadId;
HANDLE hThread;
int coreNum = info.dwNumberOfProcessors;
for(int i = 0 ; i < coreNum ; i ++)
hThread = CreateThread(0,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)sine,0,0,&dwThreadId);
SetThreadAffinityMask(hThread,1<<i);//针对cpu核i(from 0)

    WaitForSingleObject(hThread, INFINITE); //传入INFINITE表示无限等待

代码部分解释：

1.CreateThread

函数功能：创建线程

函数原型：

CreateThread(
    __in_opt  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,
    __in      SIZE_T dwStackSize,
    __in      LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress,
    __in_opt __deref __drv_aliasesMem LPVOID lpParameter,
    __in      DWORD dwCreationFlags,
    __out_opt LPDWORD lpThreadId
    );

函数说明：

第一个参数表示线程内核对象的安全属性，一般传入NULL表示使用默认设置。

第二个参数表示线程栈空间大小。传入0表示使用默认大小（1MB）。

第三个参数表示新线程所执行的线程函数地址，多个线程可以使用同一个函数地址。

第四个参数是传给线程函数的参数。

第五个参数指定额外的标志来控制线程的创建，为0表示线程创建之后立即就可以进行调度，如果为CREATE_SUSPENDED则表示线程创建后暂停运行，这样它就无法调度，直到调用ResumeThread()。

第六个参数将返回线程的ID号，传入NULL表示不需要返回该线程ID号。

函数返回值：成功返回新线程的句柄，失败返回NULL。 

 2.WaitForSingleObject

函数功能：等待函数 – 使线程进入等待状态，直到指定的内核对象被触发。

函数原形：

WaitForSingleObject(
    __in HANDLE hHandle,
    __in DWORD dwMilliseconds
    );

函数说明：

第一个参数为要等待的内核对象。

第二个参数为最长等待的时间，以毫秒为单位，如传入5000就表示5秒，传入0就立即返回，传入INFINITE表示无限等待。

因为线程的句柄在线程运行时是未触发的，线程结束运行，句柄处于触发状态。所以可以用WaitForSingleObject()来等待一个线程结束运行。

函数返回值：在指定的时间内对象被触发，函数返回WAIT_OBJECT_0。超过最长等待时间对象仍未被触发返回WAIT_TIMEOUT。传入参数有错误将返回WAIT_FAILED

3.SetThreadAffinityMask()

函数功能：Sets a processor affinity mask for the specified thread.

函数原形：

WaitForSingleObject(
    __in HANDLE hHandle,
    __in DWORD dwMilliseconds
    );

函数说明：

这个函数的参数有两个，第一个是执行任务的句柄，第二个是核的掩蔽码。

掩蔽码的使用规则是如果最低位置1，就将任务分派给编号为0的核，如果次低位置1，就将任务分派给编号为1的核。

如果掩蔽码设置为0xC，即编号为2, 3的核被置为1，线程就会在这两个核上切换。

more:

进程与指定cpu绑定：SetProcessAffinityMask(GetCurrentProcess(), dwMask);

线程与指定cpu绑定：SetThreadAffinityMask(GetCurrentThread(),dwMask);

dwMask为CPU序号的或运算值：1（0001）代表只运行在CPU1，2（0010）代表只运行在CPU2，3（0011）代表可以运行在CPU1和CPU2，以此类推。

ref: http://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/ms686247(v=vs.85).aspx

结果截图：

附：

1.TOTAL_TIME_SLICE 的计算

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。

2.CPU亲缘性（Affinity）介绍

按照默认设置，当系统将线程分配给处理器时，Windows使用软亲缘性来进行操作。这意味着如果所有其他因素相同的话，它将设法在它上次运行的那个处理器上运行线程。让线程留在单个处理器上，有助于重复使用仍然在处理器的内存高速缓存中的数据。

有一种新的计算机结构，称为NUMA（非统一内存访问），在该结构中，计算机包含若干块插件板，每个插 件板上有4个CPU和它自己的内存区。
当CPU访问的内存是它自己的插件板上的内存时，NUMA系统运行的性能最好。如果CPU需要访问位于另一个插件板上的内 存时，就会产生巨大的性能降低。在这样的环境中，就需要限制来自一个进程中的线程在共享同一个插件版的CPU上运行。为了适应这种计算机结构的需要，Windows允许你设置进程和线程的亲缘性。换句话说，你可以控制哪个CPU能够运行某些线程。这称为硬亲缘性。请注意，子进程可以继承进程的亲缘性。

注意：

（1）无论计算机中实际拥有多少个CPU，Windows98及以前系统只使用一个CPU，上述API不被支持。

（2）在大多数环境中，改变线程的亲缘性就会影响调度程序有效地在 各个CPU之间移植线程的能力，而这种能力可以最有效地使用CPU时间。

3.CreateThread()函数

它是Windows提供的API接口，在C/C++语言另有一个创建线程的函数_beginthreadex()，在很多书上（包括《Windows核心编程》）提到过尽量使用_beginthreadex()来代替使用CreateThread()，这是为什么？http://blog.csdn.net/morewindows/article/details/7421759

ref:

http://blog.csdn.net/pipisorry/article/details/36189155

http://blog.csdn.net/morewindows/article/details/7421759

http://www.cnblogs.com/foreverinside/p/3577273.html

http://www.cnblogs.com/flyinghearts/archive/2011/03/22/1991965.html

http://blog.csdn.net/u012370255/article/details/28232153