玩转双核CPU：左手画圆，右手画方

     两年前，微软亚洲研究院出版了《编程之美》一书,其中的第一章第一节“让CPU占用率曲线听你指挥”一文，可谓是在全国范围内掀起了一股玩转CPU占用率曲线热。我本人甚至在坐公交的时候都在思考如何折腾CPU占用率曲线。

     书中给出了这样一张让人耳目一新的图，吸引了万千IT少年：

      

     也许您会觉得这还不够好玩。我也是。对了，今天流牛木马打算与各位看官讨论的，是以下这幅图的效果——双核的CPU，左手画圆，右手画方！

     该书出版的时候，我正在微软亚洲研究院创新工程组实习，该书的好几位作者都是我的好朋友，如李东、陈远等 ——于是我可以负责任地告诉大家，该书的所有实习生作者 ，当时他们使用的都是Intel P4 3.4Ghz单核CPU ！ o(∩_∩)o

    今天突然想到了这里，就打算拿我的Thinkpad T60来试试。CPU是Genuine Intel(R) CPU T2400 @1.83Ghz ， 双核。

    首先我将书中提供的C++代码翻译成了C# .翻译过程没任何技术难度，仅供各位看官了解个大概：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
namespace ConsoleApplication1
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            const double SPLIT = 0.01;
            const int COUNT = 200;
            const double PI = 3.14159265;
            const int INTERVAL = 100;
            double[] busySpan = new double[COUNT];  //array of busy times
            double[] idleSpan = new double[COUNT];  //array of idle times
            int half = INTERVAL / 2;
            double radian = 0.0;
            for (int i = 0; i < COUNT; i++)
            {
                busySpan[i] = (double)(half + (Math.Sin(PI * radian) * half));
                idleSpan[i] = INTERVAL - busySpan[i];
                radian += SPLIT;
            }
            double startTime = 0;
            int j = 0;
            while (true)
            {
                j = j % COUNT;
                startTime = Environment.TickCount;
                while ((Environment.TickCount - startTime) <= busySpan[j]) ;
                System.Threading.Thread.Sleep((int)idleSpan[j]);
                j++;
            }
        }
    }
}

将这段代码直接F5， 运行结果如下：

    果然，与大家意料的一样，两个CPU中都会显示出非常扭曲、不规则的正弦曲线。

    按照书中的说法，C++程序可以使用WinAPI里的SetThreadAffinityMast()函数，将程序固定到某个特定的CPU上执行。

    查了下MSDN，当然，在.NET里，也有Manage的相似代码。见http://msdn.microsoft.com/zh-tw/library/system.diagnostics.process.processoraffinity(VS.80).aspx

    按照MSDN，在代码中加入了简单的两句：

     System.Diagnostics.Process p = System.Diagnostics.Process.GetCurrentProcess();             
          p.ProcessorAffinity = (IntPtr)0x0001;

    然后再次F5, CPU中的曲线如下图所示：

   1号CPU成规则的正弦曲线相当完美，2号CPU使用率一直为0.

   看来这就是书中想让大家达到的效果了。

 

   这个效果让人感觉非常枯燥乏味。2号CPU的资源就浪费掉了，有没有办法将它利用起来呢？

   让我们来分析这两句代码：

while ((Environment.TickCount - startTime) <= busySpan[j]) ;

System.Threading.Thread.Sleep((int)idleSpan[j]);

     它的意思是，在规定好的时间间隔内（程序中规定了是100毫秒），满负载运行（通过空循环）构成正弦函数需要运行的时间（由之前的计算得到），其余时间就睡觉。如运行69毫秒，睡觉31毫秒，那么在这100毫秒的时间段，CPU的平均占用率就是69%。由于CPU占用率曲线是1秒钟更新一次的，程序使用的每100毫秒一个平均值节点，曲线的平滑度足够了。

    继续发散。刚才的例子，如果是运行69毫秒，睡觉50毫秒呢？ 那么当前的100毫秒CPU占用率仍然会是69%，但如果算法不加调整，仍然以100毫秒为一个平均值节点，这就影响到了下一个100毫秒的CPU占用率。前一个影响后一个，如多米诺骨牌一样，整体的曲线就完全错误了。

    也就是说，我们用来控制CPU平均占用率的时间段，每段必须相等。

    我们考虑到以上的代码中，在1号CPU中运行了69毫秒，剩下了31毫秒如果转到2号CPU中运行，1号CPU的占用就会降到0，但与此同时我们就可以在2号CPU中“画方”了。

    概括起来说就是，当1号CPU小寐的时候，程序在2号CPU中“画方”；1号CPU小寐结束的时候，2号CPU中当前周期的“方”必须完成。

    需要注意的是，假如1好CPU画了69毫秒，那么2号CPU一定只能画31毫秒。

    按照这个思路，我们先实验一下简单的：在1号CPU中画正弦曲线后的休息时间段，我们在2号CPU中画余弦曲线。呵呵，初中学的三角函数你忘了吗？

    我们将原代码中的空循环改为：

            while (true)
            {
                j = j % COUNT;
                p.ProcessorAffinity = (IntPtr)0x0001;
                startTime = Environment.TickCount;
                while ((Environment.TickCount - startTime) <= busySpan[j]) ;
                p.ProcessorAffinity = (IntPtr)0x0002;
                while ((Environment.TickCount - startTime) <= idleSpan[j]) ;
                j++;
            }

    “左手正弦，右手余弦”结果差强人意：

     我们注意到这个曲线没有之前单CPU运行时那么精确的。

     原因是我们切换CPU的运营占用了时间。例如，以前正弦画了69毫秒，我们计算出余弦应该画31毫秒，但切换CPU的操作可能占用了3毫秒（或更多、或每次耗时都不同），整体就不在100毫秒这个间隔范围了，所以曲线结果有误差。

    到这里，我的思路已经说完了，相信大家已经明白。

     不过， 走到这一步，追求完美的我们，的确是遇到了一点障碍。

     我经过一些周期上的微调，并且将余弦函数改为了简单的方波函数，最终效果正如本文开头展示的一样，还是不错的。

    调整办法？呵呵，真不好意思，我暂时还没有想到一个足够说服大家、可以公式化的调整办法，就请各位看官在这里八仙过海，各显神通咯～