CPU正弦曲线
1 #include <iostream> 2 #include <cmath> 3 #include <ctime> 4 #include <windows.h> 5 6 using namespace std; 7 8 //得到循环0xFFFFFFFF次用的秒数 9 unsigned int test() 10 { 11 unsigned int c = 0xFFFFFFFF; 12 13 time_t t1, t2; 14 time(&t1); 15 16 for(unsigned int i = 0; i < c; i++) 17 ; 18 time(&t2); 19 return (unsigned int)(t2 -t1); 20 21 } 22 23 24 #define T 20000 //周期时间 20秒 25 #define C 100 //采样点时间间隔 26 #define PI 3.1415 //PI 27 const unsigned int count = 0xFFFFFFFF / (test() *1000); //采样间隔可以执行的循环数目 28 const unsigned int N = T/C; //周期内采样点数目 29 unsigned int v[N] = { 0 }; //所有采样点连续执行循环数 30 unsigned int mt[N] = { 0 }; //所有采样点休眠毫秒数 31 32 int main() 33 { 34 //计算循环次数和休眠时间 35 for(int i = 0; i < N; i++) 36 { 37 double x = 2 * PI * i / N; 38 double r = (sin(x) + 1) / 2; 39 40 mt[i] = C - r * C; 41 v[i] = r * C * count; 42 } 43 for(;;) 44 { 45 for(int i = 0; i < N; i++) 46 { 47 for(int j = 0; j < v[i]; j++) 48 ; 49 Sleep(mt[i]); 50 } 51 } 52 }
首先什么是CPU占用率？
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。
因此可以写个程序，在一个刷新周期中，一会儿忙，一会儿闲，调节忙/闲比例，就可以控制CPU占有率！
一个刷新时间到底是多长，书上只是说，任务管理器观测，大约是1秒。鼠标移动、后台程序等都会对曲线造成影响！
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？（没试过）
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。
解法一：简单解法
Busy用可循环来实现，for(i=0;i<n;i++) ;
对应的汇编语言为
loop；
mov dx i ；将i置入dx寄存器
inc dx ；将dx寄存器加1
mov dx i ；将dx中的值赋回i
cmp i n ；比较i和n
j1 loop ；i小于n时则重复循环
我的cpu（双核） 2.53GHZ 现代cpu每个时钟周期可执行两条以上的代码，取平均值2，于是
（2520 000 000*2）/5=1012000000（循环/秒） 每秒可以执行循环1012000000次
不能简单的取n=10120000000然后sleep（1000），如果让cpu工作1s，休息1s很可能是锯齿，先达到一个峰值然后跌入一个很低的占有率；所以我们睡眠时间改为10ms，10ms比较接近windows的调度时间，n=10120000。如果sleep时间选的太小，会造成线程频繁的唤醒和挂起，无形中增加了内核时间的不确定性因此代码如下：
1 #include <windows.h> 2 3 int main(void) 4 { 5 //50% 6 //Thread 0 can only run on CPU 0. 7 SetThreadAffinityMask(GetCurrentProcess(), 0x00000001); 8 while(true) 9 { 10 for(int i=0;i<10120000;i++) 11 ; 12 Sleep(10); 13 } 14 return 0; 15 16 17 }
解法二：使用GetTickCount()和Sleep()
GetTickCount()可以得到“系统启动到现在”所经历的时间的毫秒值，最多可以统计49.7天，因此我们可以利用GetTickCount()判断busy loop要循环多久，如下：
1 #include <windows.h> 2 3 int main(void) 4 { 5 6 //50% 7 int busyTime=10; 8 int idleTime=busyTime; 9 _int64 startTime; 10 SetThreadAffinityMask(GetCurrentProcess(), 0x00000001); 11 while(true) 12 { 13 startTime=GetTickCount(); 14 while((GetTickCount()-startTime)<=busyTime) 15 { 16 ; 17 } 18 Sleep(idleTime); 19 } 20 return 0; 21 }
上面两种解法都是假设当前系统只有当前程序在运行，但实际上，操作系统有很多程序会同时调试执行各种任务，如果此刻进程使用10%的cpu，那我们的程序只有使用40%的cpu才能达到50%的效果。
Perfmon.exe是从WIN NT开始就包含在windows管理工具中的专业检测工具之一。我们可以用程序来查询Perfmon的值，.Net Framework提供了PerformanceCounter这一对象，可以方便的查询当前各种性能数据，包括cpu使用率，因此解法三如下：
解法三：能动态适应的解法
1 using System; 2 using System.Diagnostics; 3 namespace cpu 4 { 5 class Program 6 { 7 static void Main(string[] args) 8 { 9 cpu(0.5); 10 } 11 static void cpu(double level) 12 { 13 PerformanceCounter p = new PerformanceCounter("Processor", "% Processor Time", "_Total"); 14 if (p == null) 15 { 16 return; 17 } 18 while (true) 19 { 20 if (p.NextValue() > level) 21 System.Threading.Thread.Sleep(10); 22 } 23 } 24 } 25 }
解法四：正弦曲线
1 #include <windows.h> 2 #include <math.h> 3 int main(void) 4 { 5 SetThreadAffinityMask(GetCurrentProcess(), 0x00000001); 6 const double SPLIT=0.01; 7 const int COUNT=200; 8 const double PI=3.14159265; 9 const int INTERVAL=300; 10 DWORD busySpan[COUNT]; //array of busy time 11 DWORD idleSpan[COUNT]; //array of idle time 12 int half=INTERVAL/2; 13 double radian=0.0; 14 for(int i=0;i<COUNT;i++) 15 { 16 busySpan[i]=(DWORD)(half+(sin(PI*radian)*half)); 17 idleSpan[i]=INTERVAL-busySpan[i]; 18 radian+=SPLIT; 19 } 20 DWORD startTime=0; 21 int j=0; 22 while(true) 23 { 24 j=j%COUNT; 25 startTime=GetTickCount(); 26 while((GetTickCount()-startTime)<=busySpan[j]) 27 ; 28 Sleep(idleSpan[j]); 29 j++; 30 } 31 return 0; 32 }
其中busySpan[i]=(DWORD)(half+(sin(PI*radian)*half)); idleSpan[i]=INTERVAL-busySpan[i];
这样保证了占有率=busy/(busy+idle)=(half+(sin(PI*radian)*half))/(2*half)=(1+sin(PI*radian))/2 在0到100%之间！
下面更深入在双核情况下，每个cpu显示不同的曲线。如下：
控制CPU占用率，不仅仅是出于好玩而已。以前的某些程序，特别是某些老游戏，在新的机器上运行速度太快，必须先给CPU降速，才能顺利运行那些程序，有个共享软件CPUKiller，就是专门弄这个的。
控制CPU占用率，因为要调用Windows的API，要考虑到多核、超线程的情况，要考虑到不同版本的Windows的计时相关的API的精度不同，使问题变得相当复杂，若再考虑其它程序的CPU占用率，则该问题则变得很烦人。(taskmgr调用了一个未公开的API)。
对CPU核数的判断，书上是调用GetProcessorInfo，其实可以直接调用GetSystemInfo，SYSTEM_INFO结构的dwNumberOfProcessors成员就是核数。不知道超线程对这两种方法有什么影响。
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：
1 void solve(Func *calc) 2 { 3 double tb = 0; 4 while(1) 5 { 6 unsigned ta = get_time(); 7 double r = calc(tb); 8 if (r < 0 || r > 1) r = 1; 9 DWORD busy = r * GAP; 10 while(get_time() - ta < busy) {} 11 Sleep(GAP - busy); 12 tb += GAP; 13 } 14 }
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。
代码如下:
1 #include<iostream> 2 #include<cmath> 3 #include<windows.h> 4 5 static int PERIOD = 60 * 1000; //周期ms 6 const int COUNT = 300; //一个周期计算次数 7 const double GAP_LINEAR = 100; //线性函数时间间隔100ms 8 const double PI = 3.1415926535898; //PI 9 const double GAP = (double)PERIOD / COUNT; //周期函数时间间隔 10 const double FACTOR = 2 * PI / PERIOD; //周期函数的系数 11 static double Ratio = 0.5; //线性函数的值 0.5即50% 12 static double Max=0.9; //方波函数的最大值 13 static double Min=0.1; //方波函数的最小值 14 15 typedef double Func(double); //定义一个函数类型 Func*为函数指针 16 typedef void Solve(Func *calc);//定义函数类型，参数为函数指针Func* 17 inline DWORD get_time() 18 { 19 return GetTickCount(); //操作系统启动到现在所经过的时间ms 20 } 21 double calc_sin(double x) //调用周期函数solve_period的参数 22 { 23 return (1 + sin(FACTOR * x)) / 2; //y=1/2(1+sin(a*x)) 24 } 25 double calc_fangbo(double x) //调用周期函数solve_period的参数 26 { 27 //方波函数 28 if(x<=PERIOD/2) return Max; 29 else return Min; 30 } 31 32 void solve_period(Func *calc) //线程函数为周期函数 33 { 34 double x = 0.0; 35 double cache[COUNT]; 36 for (int i = 0; i < COUNT; ++i, x += GAP) 37 cache[i] = calc(x); 38 int count = 0; 39 while(1) 40 { 41 unsigned ta = get_time(); 42 if (count >= COUNT) count = 0; 43 double r = cache[count++]; 44 DWORD busy = r * GAP; 45 while(get_time() - ta < busy) {} 46 Sleep(GAP - busy); 47 } 48 } 49 50 void solve_linear(Func*) //线程函数为线性函数，参数为空 NULL 51 { 52 const unsigned BUSY = Ratio * GAP_LINEAR; 53 const unsigned IDLE = (1 - Ratio) * GAP_LINEAR; 54 while(1) 55 { 56 unsigned ta = get_time(); 57 while(get_time() - ta < BUSY) {} 58 Sleep(IDLE); 59 } 60 } 61 //void solve_nonperiod(Func *calc) //非周期函数的处理，暂没实验 62 //{ 63 // double tb = 0; 64 // while(1) 65 // { 66 // unsigned ta = get_time(); 67 // double r = calc(tb); 68 // if (r < 0 || r > 1) r = 1; 69 // DWORD busy = r * GAP; 70 // while(get_time() - ta < busy) {} 71 // Sleep(GAP - busy); 72 // //tb += GAP; 73 // tb += get_time() - ta; 74 // } 75 //} 76 77 void run(int i=1,double R=0.5,double T=60000,double max=0.9,double min=0.1) 78 //i为输出状态，R为直线函数的值，T为周期函数的周期，max方波最大值，min方波最小值 79 { 80 Ratio=R; PERIOD=T; Max=max; Min=min; 81 Func *func[] = {NULL ,calc_sin,calc_fangbo}; //传给Solve的参数，函数指针数组 82 Solve *solve_func[] = { solve_linear, solve_period}; //Solve函数指针数组 83 const int NUM_CPUS = 2; //双核，通用的可以用下面GetSystemInfo得到cpu数目 84 HANDLE handle[NUM_CPUS]; 85 DWORD thread_id[NUM_CPUS]; //线程id 86 //SYSTEM_INFO info; 87 //GetSystemInfo(&info); //得到cpu数目 88 //const int num = info.dwNumberOfProcessors; 89 switch(i) 90 { 91 case 1: //cpu1 ,cpu2都输出直线 92 { 93 for (int i = 0; i < NUM_CPUS; ++i) 94 { 95 Func *calc = func[0]; 96 Solve *solve = solve_func[0]; 97 if ((handle[i] = CreateThread(NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)solve, 98 (VOID*)calc, 0, &thread_id[i])) != NULL) //创建新线程 99 SetThreadAffinityMask(handle[i], i+1); //限定线程运行在哪个cpu上 100 } 101 WaitForSingleObject(handle[0],INFINITE); //等待线程结束 102 break; 103 } 104 case 2: //cpu1直线，cpu2正弦 105 { 106 for (int i = 0; i < NUM_CPUS; ++i) 107 { 108 Func *calc = func[i]; 109 Solve *solve = solve_func[i]; 110 if ((handle[i] = CreateThread(NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)solve, 111 (VOID*)calc, 0, &thread_id[i])) != NULL) //创建新线程 112 SetThreadAffinityMask(handle[i], i+1); //限定线程运行在哪个cpu上 113 } 114 WaitForSingleObject(handle[0],INFINITE); //等待线程结束 115 break; 116 } 117 case 3: //cpu1直线，cpu2方波 118 { 119 120 /*Func *calc = func[0]; 121 Solve *solve = solve_func[0];*/ 122 if ((handle[0] = CreateThread(NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)solve_func[0], 123 (VOID*)func[0], 0, &thread_id[0])) != NULL) //创建新线程 124 SetThreadAffinityMask(handle[0], 1); //限定线程运行在哪个cpu上 125 Func *calc = func[2]; 126 Solve *solve = solve_func[1]; 127 if ((handle[1] = CreateThread(NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)solve, 128 (VOID*)calc, 0, &thread_id[1])) != NULL) //创建新线程 129 SetThreadAffinityMask(handle[1], 2); //限定线程运行在哪个cpu上 130 WaitForSingleObject(handle[0],INFINITE); //等待线程结束 131 break; 132 } 133 case 4: //cpu1正弦，cpu2方波 134 { 135 if ((handle[0] = CreateThread(NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)solve_func[1], 136 (VOID*)func[1], 0, &thread_id[0])) != NULL) //创建新线程 137 SetThreadAffinityMask(handle[0], 1); //限定线程运行在哪个cpu上 138 Func *calc = func[2]; 139 Solve *solve = solve_func[1]; 140 if ((handle[1] = CreateThread(NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)solve, 141 (VOID*)calc, 0, &thread_id[1])) != NULL) //创建新线程 142 SetThreadAffinityMask(handle[1], 2); //限定线程运行在哪个cpu上 143 WaitForSingleObject(handle[0],INFINITE); //等待线程结束 144 break; 145 } 146 default: break; 147 } 148 } 149 150 void main() 151 { 152 run(1,0.5); //cpu1 ,cpu2都输出50%的直线 153 //run(2,0.5,30000); //cpu1 0.5直线，cpu2正弦周期30000 154 //run(3); //cpu1直线，cpu2方波 155 //run(4,0.8,30000,0.95,0.5); //cpu1正弦，cpu2 0.95-0.5的方波 156 }
补充几个函数的说明：
GetTickCount返回（retrieve）从操作系统启动到现在所经过（elapsed）的毫秒数，它的返回值是DWORD。函数原型： DWORD GetTickCount(void); C/C++头文件：winbase.h ；windows程序设计中可以使用头文件windows.h
Sleep()函数 C++中头文件<windows.h>下的函数 作用：延时，程序暂停若干时间。时间，就是他的参数，单位是毫秒。Sleep (500) ; //注意第一个字母是大写。就是到这里停半秒，然后继续向下执行。 在Linux C语言中 sleep的单位是秒 sleep(5); //停5秒 包含在 <unistd.h>头文件中
CreateThread，建立新的线程 HANDLE CreateThread(
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes, // pointer to security attributes
DWORD dwStackSize, // initial thread stack size
LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress, // pointer to thread function
LPVOID lpParameter, // argument for new thread
DWORD dwCreationFlags, // creation flags
LPDWORD lpThreadId // pointer to receive thread ID );
概述： 当使用CreateProcess调用时，系统将创建一个进程和一个主线程。CreateThread将在主线程的基础上创建一个新线程，大致做如下步骤： 1在内核对象中分配一个线程标识/句柄，可供管理，由CreateThread返回 2把线程退出码置为STILL_ACTIVE，把线程挂起计数置1 3分配context结构 4分配两页的物理存储以准备栈，保护页设置为PAGE_READWRITE，第2页设为PAGE_GUARD 5lpStartAddr和lpvThread值被放在栈顶，使它们成为传送给StartOfThread的参数 6把context结构的栈指针指向栈顶（第5步）指令指针指向startOfThread函数 语法： hThread = CreateThread (&security_attributes,dwStackSize,ThreadProc,pParam,dwFlags, &idThread) ; 参数说明： 第一个参数是指向SECURITY_ATTRIBUTES型态的结构的指针。在Windows 98中忽略该参数。在Windows NT中，它被设为NULL。第二个参数是用于新线程的初始堆栈大小，默认值为0。在任何情况下，Windows根据需要动态延长堆栈的大小。 CreateThread的第三个参数是指向线程函数的指针。函数名称没有限制，但是必须以下列形式声明： DWORD WINAPI ThreadProc (PVOID pParam) ; CreateThread的第四个参数为传递给ThreadProc的参数。这样主线程和从属线程就可以共享数据。 CreateThread的第五个参数通常为0，但当建立的线程不马上执行时为旗标CREATE_SUSPENDED。线程将暂停直到呼叫ResumeThread来恢复线程的执行为止。第六个参数是一个指标，指向接受执行绪ID值的变量。
SetThreadAffinityMask：The SetThreadAffinityMask function sets a processor affinity mask for the specified thread. DWORD_PTR SetThreadAffinityMask(HANDLE hThread, DWORD_PTR dwThreadAffinityMask); 调用SetThreadAffinityMask，能为各个线程设置亲缘性屏蔽：该函数中的h T h r e a d参数用于指明要限制哪个线程， dwThreadAffinityMask用于指明该线程能够在哪个CPU上运行。dwThreadAffinityMask必须是进程的亲缘性屏蔽的相应子集。返回值是线程的前一个亲缘性屏蔽。因此，若要将3个线程限制到CPU1、2和3上去运行，可以这样操作： //Thread 0 can only run on CPU 0. SetThreadAffinityMask(hThread0, 0x00000001); //第0位是1 //Threads 1, 2, 3 run on CPUs 1, 2, 3.//第1 2 3位是1 SetThreadAffinityMask(hThread1, 0x0000000E); SetThreadAffinityMask(hThread2, 0x0000000E); SetThreadAffinityMask(hThread3, 0x0000000E);
WaitForSingleObject 当指定的对象的状态被标记或者指定的时间间隔过完时，此函数返回DWORD类型参数。
格式：DWORD WaitForSingleObject(HANDLE hHandle,DWORD dwMilliseconds);
参数：hHandle表示对象的句柄，dwMilliseconds指出了时间间隔；过了指定的时间，即使对象状态没发生改变，函数也会返回；如果此参数设为0，函数测试对象的状态并且立即返回；如果此参数设为INFINITE，则表示此函数的时间间隔永远不会流逝完——只有等待对象状态被标识时返回。 返回值：成功：WAIT_OBJECT_0：表示对象的状态被标识 WAIT_TIMEOUT：表示指定时间已到而对象状态没有被标识 失败：WAIT_FAILED：表明失败 WaitForSingleObject 函数检查指定对象当前状态，如果对象的状态没有被标识，则调用的线程进入有效的等待状态。在等待对象状态被标识或者指定的时间间隔到期，线程只会占据(consume)处理器一小段时间。时间间隔需要被指定在0到0x7FFFFFFF之间的正数，最大的时间间隔值不等于无穷大而是0x7FFFFFFF，无穷大的时间间隔值是0xFFFFFFFF。任何在0x7FFFFFFF和0xFFFFFFFE之间的值都等同于0x7FFFFFFF；如果你需要一个时间间隔比0x7FFFFFFF还要大的话，使用表示不穷的值0xFFFFFFFF。返回之前，等待函数修改了某些类型的同步对象的状态，只有当对象的信号状态引起了函数的返回时这种修改才发生。例如，一个信号量对象计数减少1。WaitForSingleObject 函数能等待如下的各种对象：事件(Event)、线程(Thread)、进程(Process)、互斥量(Mutex)、信号量(Semaphore)。 使用时要小心调用等待函数和直接或间接产生窗口的代码。如果一个线程创建了窗口，那么它必须处理消息。广播消息发送到系统中的所有窗口。使用一个没有时间间隔的等待函数的线程可能导致系统死锁。例如，动态数据交换（DDE）协议和COM函数CoInitialize两个都间接地创建了可能导致死锁的窗口。因此，如果您有一个线程创建的窗口，使用MsgWaitForMultipleObjects 或者 MsgWaitForMultipleObjectsEx 而不是使用WaitForSingleObject。
