1.1 让CPU占用率曲线听你指挥
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，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。
分析与解法
有一名学生写了如下的代码：
while(true)
{
if(busy)
i++；
else
}
然后她就陷入了苦苦思索：else干什么呢？怎么才能让电脑不做事情呢？CPU使用率为0的时候，到底是什么东西在用CPU？另一名学生花了很多时间构想如何“深入内核，以控制CPU占用率”——可是事情真的有这么复杂吗？
MSRA IEG（Microsoft Research Asia, Innovation Engineering Group）的一些实习生写了各种解法，他们写的简单程序可以达到如图1-1所示的效果。
图1-1 编程控制CPU占用率呈现正弦曲线形态
看来这并不是不可能完成的任务。让我们仔细地回想一下写程序时曾经碰到的问题，如果不小心写了一个死循环，CPU占用率就会跳到最高，并且一直保持在100%。我们也可以打开任务管理器，实际观测一下它是怎样变动的。凭肉眼观察，它大约是1秒钟更新一次。一般情况下，CPU使用率会很低。但是，当用户运行一个程序，执行一些复杂操作的时候，CPU的使用率会急剧升高。当用户晃动鼠标时，CPU的使用率也有小幅度的变化。
那当任务管理器报告CPU使用率为0的时候，是谁在使用CPU呢？通过任务管理器的“进程（Process）”一栏可以看到，System Idle Process占用了CPU空闲的时间——这时候大家该回忆起在“操作系统原理”这门课上学到的一些知识了吧。系统中有那么多进程，它们什么时候能“闲下来”呢？答案很简单，这些程序或在等待用户的输入，或者在等待某些事件的发生，或者主动进入休眠状态。
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，我们可以写一个程序，让它在任务管理器的刷新期间内一会儿忙，一会儿闲，然后调节忙/闲的比例，就可以控制任务管理器中显示的CPU占用率。
解法一：简单的解法
要操纵CPU的使用率曲线，就需要使CPU在一段时间内（根据Task Manager的采样率）跑busy和idle两个不同的循环（loop），从而通过不同的时间比例，来调节CPU使用率。
Busy loop可以通过执行空循环来实现，idle可以通过Sleep()来实现。
问题的关键在于如何控制两个loop的时间，我们先试验一下Sleep一段时间，然后循环n次，估算n的值。
那么对于一个空循环for(i=0; i<n; i++)；又该如何来估算这个最合适的n值呢？我们都知道CPU执行的是机器指令，而最接近于机器指令的语言是汇编语言，所以我们可以先把这个空循环简单地写成如下汇编代码（此代码为示意性的伪代码）后再进行分析：
next:
mov eax, dword ptr [i] ；将i放入寄存器
add eax,1 ；寄存器加1
mov dword ptr [i], eax ；寄存器赋回i
cmp eax, dword ptr [n] ；比较i和n
jl next ; i小于n时重复循环
假设这段代码要运行的CPU是P4 2.4Ghz（2.4×10的9次方个时钟周期每秒）。现代CPU每个时钟周期可以执行两条以上的代码，我们取平均值两条，于是有（2400000000×2）/5=960000000（循环/秒），也就是说CPU 1秒钟可以运行这个空循环960000000次。不过我们还是不能简单地将n=960000000，然后Sleep(1000)了事。如果我们让CPU工作1秒钟，然后休息1秒钟，波形很有可能就是锯齿状的——先达到一个峰值（>50%），然后跌到一个很低的占用率。
我们尝试着降低两个数量级，令n=9600000，而睡眠时间则相应地改为1毫秒（Sleep(10)）。用10毫秒是因为比较接近Windows的调度时间片。如果选得太小（比如1毫秒），会造成线程频繁地被唤醒和挂起，无形中又增加了内核时间的不确定性。最后我们可以得到代码清单1-1。
代码清单1-1
int main()
{
for(; ; )
{
for(int i=0; i<9600000; i++)
;
Sleep(10);
}
return 0;
}
在不断调整9600000的参数后，我们就可以在一台指定的机器上获得一条大致稳定的50% CPU占用率直线。
使用这种方法要注意两点影响：
1．尽量减少sleep/awake的频率，减少操作系统内核调度程序的干扰；
2．尽量不要调用system call（比如I/O这些privilege instruction），因为它也会导致很多不可控的内核运行时间。
该方法的缺点也很明显：不能适应机器差异性。一旦换了一个CPU，我们又得重新估算n值。有没有办法动态地了解CPU的运算能力，然后自动调节忙/闲的时间比呢？请看下一个解法。
解法二：使用GetTickCount()和Sleep()
我们知道GetTickCount()可以得到“系统启动到现在”所经历时间的毫秒值，最多能够统计到49.7天。我们可以利用GetTickCount()来判断busy loop要循环多久，伪代码如清单1-2所示。
代码清单1-2
const DWORD busyTime=10; // 10 ms
const DWORD int idleTime=busyTime; //same ratio will lead to 50% cpu usage
Int64 startTime=0;
while(true)
{
DWORD startTime=GetTickCount();
// busy loop
while((GetTickCount() - startTime) <=busyTime)
;
// idle loop
Sleep(idleTime);
}
这两种解法都是假设目前系统上只有当前程序在运行，但实际上，操作系统中有很多程序会同时执行各种各样的任务，如果此刻其他进程使用了10%的CPU，那我们的程序就只能使用40%的CPU，这样才能达到50%的效果。
怎么做呢？这就要用到另一个工具来帮忙——Perfmon.exe。
Perfmon是从Windows NT开始就包含在Windows管理工具组中的专业检测工具之一（如图1-2所示）。Perfmon可获取有关操作系统、应用程序和硬件的各种效能计数器（perf counter）。Perfmon的用法相当直接，只要选择你所要检测的对象（比如：处理器、RAM或硬盘），然后选择效能计数器（比如监视物理磁盘的平均队列长度）即可。
图1-2 系统监视器（Perfmon）
我们可以写程序来查询Perfmon的值，Microsoft .Net Framework提供了PerformanceCounter这一对象，可以方便地得到当前各种性能数据，包括CPU的使用率。例如下面这个程序（见代码清单1-3）。
解法三：能动态适应的解法
代码清单1-3
// C# code
static void MakeUsage(float level)
{
PerformanceCounter p=new PerformanceCounter("Processor",
"% Processor Time", "_Total");
while(true)
{
if(p.NextValue() > level)
System.Threading.Thread.Sleep(10);
}
}
可以看到，上面的解法能方便地处理各种CPU使用率参数。这个程序可以解答前面提到的问题2。
有了前面的积累，我们应该可以让任务管理器画出优美的正弦曲线了，见代码清单1-4。
解法四：正弦曲线
代码清单1-4
// C++code to make task manager generate sine graph
#include "Windows.h"
#include "stdlib.h"
#include "math.h"
//把一条正弦曲线0～2π之间的弧度等分成200份进行抽样，计算每个抽样点的振幅
//然后每隔300ms的时间取下一个抽样点，并让CPU工作对应振幅的时间
const int SAMPLING_COUNT=200; //抽样点数量
const double PI=3.14159265; //pi值
const int TOTAL_AMPLITUDE=300; //每个抽样点对应的时间片
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
DWORD busySpan[SAMPLING_COUNT];
int amplitude=TOTAL_AMPLITUDE / 2;
double radian=0.0;
double radianIncrement=2.0 / (double)SAMPLING_COUNT; //抽样弧度的增量
for(int i=0; i<SAMPLING_COUNT; i++)
{
busySpan[i]=(DWORD)(amplitude+(sin(PI * radian) * amplitude));
radian+=radianIncrement;
// printf("%d\t%d\n", busySpan[i], TOTAL_AMPLITUDE- busySpan[i]);
}
DWORD startTime=0;
for (int j=0; ; j=(j+1) % SAMPLING_COUNT
{
startTime=GetTickCount();
while((GetTickCount() - startTime) <=busySpan[j])
;
Sleep(TOTAL_AMPLITUDE - busySpan[j]);
}
return 0;
}
讨论
如果机器是多核或多CPU，上面的程序会出现什么结果？如何在多核或多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%的水平吗？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。
另外，还可以使用RDTSC指令获取当前CPU核心运行周期数。
在x86平台上定义函数：
inline unsigned__int64 GetCPUTickCount()
{
__asm
{
rdtsc;
}
}
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，例如代码清单1-5所示。
代码清单1-5
_PROCESSOR_POWER_INFORMATION info;
CallNTPowerInformation(11, // query processor power information
NULL, // no input buffer
0, // input buffer size is zero
&info, // output buffer
sizeof(info)); // outbuf size
unsigned__int64 t_begin=GetCPUTickCount();
// do something
unsigned __int64 t_end=GetCPUTickCount();
double millisec=(double)(t_end-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之间基数不同，频率也可能不同。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。如果线程在运行中被调度到了不同的CPU，就会出现上述情况。可用SetThreadAffinityMask避免线程迁移。另外，CPU的频率会随系统供电及负荷情况有所调整。
总结
能帮助你了解当前线程/进程/系统效能的API大致有以下这些。
1．Sleep()——这个方法能让当前线程“停”下来。
2．WaitForSingleObject()——自己停下来，等待某个事件发生。
3．GetTickCount()——有人把Tick翻译成“嘀嗒”，很形象。
4．QueryPerformanceFrequency()、QueryPerformanceCounter()——让你访问到精度更高的CPU数据。
5．timeGetSystemTime()——另一个得到高精度时间的方法。
6．PerformanceCounter——效能计数器。
7．GetProcessorInfo()/SetThreadAffinityMask()。遇到多核的问题怎么办呢？这两个方法能够帮你更好地控制CPU。
8．GetCPUTickCount()。想拿到CPU核心运行周期数吗？用用这个方法吧。
了解并应用了上面的API，就可以考虑在简历中写上“精通Windows”了。