《编程之美》之CPU曲线

1.CPU相关：（摘自MSDN——Processor Groups）

Systems with more than one physical processor or systems with physical processors that have multiple cores provide the operating system with multiple logical processors. A logical processor is one logical computing engine from the perspective of the operating system, application or driver. A core is one processor unit, which can consist of one or more logical processors. A physical processor can consist of one or more cores. A physical processor is the same as a processor package, a socket, or a CPU.

从操作系统（或者是应用程序、驱动）的角度看，一个逻辑处理器就是一个逻辑计算引擎。一个内核就是一个处理单元，它可以由一个或多个逻辑处理器组成。一个物理处理器可以由一个或多个内核组成。

以我的电脑为例，CPU为i3-2330M，2.2GHz，2个内核，4个逻辑处理器（也叫做双核四线程）。2个内核拥有2*2个逻辑处理器，得益于Intel的超线程技术（HT），该技术可实现在一个实体处理器中提供两个逻辑线程，也就是说一个处理器可模拟出两个处理器。在Windows任务管理器里就可以体现出来。可以看出，有4个小窗口。

注意：若其中一个逻辑处理器满负荷运转，则CPU的使用率为25%，若控制一个逻辑处理器的使用率为50%，则CPU的使用率为12.5%。

2.直线CPU

要控制CPU的使用率，就必须了解一个函数——Sleep()，该函数的作用是让程序让出CPU时间，除了Sleep，其他的操作都会占用CPU时间。

①根据CPU速度估算

i3-2330M的速度达到2.2GHz，一个for循环for(i=0;i<n;i++)转换成汇编语句：

loop:

mov dx i;将i置入dx寄存器

inc dx;将dx寄存器加1

mov i dx;将dx中的值赋回i

cmp i n;比较i和n

jl loop;i小于n时则重复循环

共5句汇编，现代CPU每个时钟周期可执行两条以上的指令，那么每秒可执行for循环的次数为2.2G*2/5次，执行代码如下：

void LineCPU1()
{
	SetThreadAffinityMask(GetCurrentThread(), 8); 
	long i;
	while(1)
	{
		for(i=0;i<8800000;i++);
		Sleep(10);
	}
}

这里选用10ms是因为10ms比较接近Windows调度时间片，若该值太大，会使得曲线不平滑，一下很高，一下很低；若该值太小，会使得线程被频繁地唤醒和挂起，无形中又增加了内核时间不确定性的影响。

从执行效果可看到，该程序（test2.exe）CPU使用率为18%，大于我们希望的12.5%，我将n改为4400000，使用率会低至14%，但还是不是12.5%。可见这种方法比较粗糙，且只适用于特定频率的CPU，具有CPU差异性。（笔记本出于省电的考虑，CPU的时钟频率可能会变化）

②利用GetTickCount()消除CPU差异性

GetTickCount()函数可以得到“系统启动到现在”所经历的毫秒数，最多可统计到49.7天，执行效果：平均CPU使用率基本可维持在12.5上下

void LineCPU2()
{
	SetThreadAffinityMask(GetCurrentThread(), 8);
	int busyTime = 100;
	int idleTime = busyTime;
	long startTime = 0;
	while(1)
	{
		startTime = GetTickCount();
		while((GetTickCount() - startTime) <= busyTime);
		Sleep(idleTime);
	}
}

以上两种方法都是假设只有该进程运行在逻辑处理器上，但事实上系统运行时会有其他进程也在运行，若其他进程占用了5%，那么我们的程序就应该占用45%。那么如何解决这个问题呢。

③PerformanceCounter类

PerformanceCounter是.Net类库中的一个类（通过它可以很方便地获取当前的各种性能数据，包括CPU使用率），所以需要用C#来写，需要命名空间using System.Diagnostics，该程序没怎么具体去试

PerformanceCounter pc = new PerformanceCounter("Processor", "% Processor Time", "_Total");       
while (true)
{
    if (pc.NextValue() > 18)
        System.Threading.Thread.Sleep(10);
}

3.正弦CPU

有了以上的铺垫，那么正弦的CPU曲线就很容易啦

void SinCPU()
{
	SetThreadAffinityMask(GetCurrentThread(), 8);  
	const double SPLIT = 0.01;
	const int COUNT =200;
	const double PI = 3.14159265;
	const int INTERVAL = 300;

	int busySpan[COUNT];
	int idleSpan[COUNT];
	int half = INTERVAL/2;
	double rad =0.0;
	for(int i=0;i<COUNT;i++)
	{
		busySpan[i] = (int)(half+(sin(PI*rad)*half/2));
		idleSpan[i] = INTERVAL - busySpan[i];
		rad += SPLIT;
	}

	long startTime = 0;
	int j = 0;
	while(1)
	{
		j = j%COUNT;
		startTime = GetTickCount();
		while((GetTickCount() - startTime)<=busySpan[j]);
		Sleep(idleSpan[j]);
		j++;
	}
}

4.指定某个处理器上运行

SetThreadAffinityMask(hThread, dwThreadAffinityMask)函数的作用是指定该线程在某一个逻辑处理器上运行，每个处理器代表1bit，即1代表第1个处理器，2代表第2个处理器，4代表第3个处理器，8代表第4个处理器，从下面两张图可看出区别，一个是完整的正弦，一个是有缺口的正弦

当第一个正弦有缺口时，第二、第三个处理器有出现相应的峰值，可见当一个程序在某个处理器中接近满负荷时，会被分配到另外几个处理器中，以减小处理器的压力

注：SetThreadAffinityMask(hThread, dwThreadAffinityMask)、Sleep()、GetTickCount()函数需要"Windows.h"头文件，数学函数sin()需要"math.h"头文件，CPU的频率会随着供电和负载情况的变化而变化。