Linux下實現CPU使用率正弦曲線

 編程之美第一道題目就是如何讓CPU使用率曲線成爲一條正弦曲線，本文在Linux下實現這個效果。

程序運行時間

一個進程的運行時間大致分爲user time,kernel time和waiting time

三個時間加起來就是進程從開始到結束用的時間。

user time是進程在用戶空間執行的時間

kernel time是進程在內核空間執行的時間

waiting time是進程等待IO或者其他事件所用的時間

例如

int main()
{
    int i;
    for(i = 0; i < 100000000; i ++) //用戶空間執行
        getpid(); //系統調用，內核空間執行
    //scanf和printf是C標準庫裏的，還要調用Linux的系統調用read和write
    scanf("%d\n",&i);
    printf("%d\n",i);
    return 0;
}

使用time命令可以顯示進程運行的時間，real，user,sys。大部分時間都用來等IO了，因爲人輸入的速度遠小於計算機的速度。

CPU的使用率是指所有進程的user time和kernel time之和除以real time。而一般情況下，user time遠大於kernel time。

如果一個系統中CPU使用率幾乎爲0，那麼我們可以寫個程序控制CPU的使用率。

 

while(1)
{
     for(i = 0; i < 100000; i ++);  //CPU忙，佔用的時間是user time
     usleep(10000); //CPU閒，屬於waiting time
}

 

讓CPU一直維持在50%

 

讓進程50%的時間做循環，%50的時間sleep就行了

 

int main()
{
     int i;
     while(1)
     {
          for(i = 0; i < n; i++);
          usleep(m);
     }
     return 0;
}

關鍵是如何確定n和m的值。

我們先把m定死，進程睡眠60ms，linux調度時的時間片好像是15ms，但是usleep精度較低，所以我們讓它睡的時間長點。

然後再確定n，先隨便給n一個值，看看彙編代碼裏使用了幾條指令：

 

.L2:
        movl    $0, -8(%ebp)
        jmp     .L3
.L4:
        addl    $1, -8(%ebp)
.L3:
        cmpl    $3999999, -8(%ebp)
        jle     .L4
        movl    $60000, (%esp)
        call    usleep
        jmp     .L2

紅色的是內層循環，有3條指令。CPU主頻是2.27GHz，如果按一個時鐘週期執行一條的話，那麼執行三條指令的時間爲2.27x10-9x3 = 6.9x10-9s，要執行60ms，循環數n的大小爲

60x10-3 / 6.9x10-9 = 8.69 x 106 

試一試這個數，8690000

CPU使用率穩定在38%左右，看來我們低估了CPU的能力。我們可以根據38%這個數計算出n的大小了

CPU時間/(CPU時間+60ms）= 38%,因此86900使用的cpu時間爲 36ms，8690000:36=n:60，求得n等於1448333，這次CPU使用率很精確的停留在50%左右。

 

我剛纔只注意進程cpu使用的CPU資源了，忘了還有其它進程的，其他進程目前大約佔了%3，稍微調整一下n，n=13200000，得到了50%的曲線，當然會有點波動。

 

注：上面說一個時鐘週期執行一條指令是不合適的，各種指令的執行時間不同。計算機裏的週期主要有時鐘週期，機器週期，指令週期。一條指令的週期稱爲指令週期，由幾個機器週期做成，而一個機器組成由幾個時鐘週期組成。上面的三條指令都需要取內存，因此時間長。如果把循環變量放在寄存器裏，那麼用的時間要小的多：

將內存數-8(%ebp)改爲寄存器數%ebx

.L2:
        movl    $0, %ebx
        jmp     .L3
.L4:
        addl    $1, %ebx
.L3:
        cmpl    $13199999, %ebx
        jle     .L4
        movl    $60000, (%esp)
        call    usleep
        jmp     .L2

CPU利用率由50%降到了20%。性能提高了60%。可見即使C語言寫的程序，也有很大的優化空間，其實編譯時加上-O也能達到這個效果。使用gcc的-O選項，也是20%，查看彙編代碼，發現就是把-8(%ebp)用%eax代替了，和我直接修改的是一樣。-O默認使用2級優化。其實gcc還可以進一步優化，將循環展開，不過這裏的n太大，展開的話代碼太多，優化到使用寄存器替代內存數就挺好了。

Java寫的程序，性能是C程序的幾十分之一！

 

讓CPU使用率爲正弦曲線

上面的程序n值在不同的機器上是不一樣的。我們換個思想實現。還是把睡眠時間定死，60ms。

//僞代碼
int main()
{
    int start_time, current_time;
    while(1)
    {
        start_time = GetCurrentTime();
        current_time = start_time;
        while(current_time - start_time < 60)
            current_time = GetCurrentTime();
        sleep(60);
    }
}

關鍵是如何獲取當前時間。Windows下可以使用GetTickCount()，Linux下可以使用gettimeofday()。

 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    struct timeval tv;
    long long start_time,end_time;
    while(1)
    {
        gettimeofday(&tv,NULL);
        start_time = tv.tv_sec*1000000 + tv.tv_usec;
        end_time = start_time;

        while((end_time - start_time) < 60000)
        {
            gettimeofday(&tv,NULL);
            end_time = tv.tv_sec*1000000 + tv.tv_usec;
        }
        usleep(60000);
    }
    return 0;
}

 

 

現在我們用這種方法實現CPU使用率的正弦曲線。

首先要確定這個曲線的函數。這個函數的最大值是1，最小值是0，因此肯定是0.5(sin(tx) + 1)。

怎麼確定t呢？

我們可以認爲，曲線的更新週期應該大於100ms，我們以100ms爲單位，把100ms的平均使用率作爲這100ms末的使用率。

 

假如我們希望10s能出一個完整的波形，100ms計算一次，那就需要計算100次。這樣我們要準備兩個大小爲100的數組，分別保存循環時間和睡眠時間。

而且滿足，第一個數組循環時間爲0，睡眠時間爲100，第50個數組循環時間爲100，睡眠時間爲0，第100個數組循環時間爲0，睡眠時間爲100.

這樣我們就確定了t了。100個數組下標爲橫座標，那麼週期是100，t=2x3.14/100 = 0.0628.

代碼如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <math.h>
int main()
{
    struct timeval tv;
    long long start_time,end_time;
    long long busy_time[100];
    long long idle_time[100];
    int i;
    for(i = 0; i < 100; i++)
    {
        busy_time[i] = 100000 * 0.5 * (sin(i*0.0628) + 1);
        idle_time[i] = 100000 - busy_time[i];
    }
    i = 0;
    while(1)
    {
        gettimeofday(&tv,NULL);
        start_time = tv.tv_sec*1000000 + tv.tv_usec;
        end_time = start_time;

        while((end_time - start_time) < busy_time[i])
        {
            gettimeofday(&tv,NULL);
            end_time = tv.tv_sec*1000000 + tv.tv_usec;
        }
        usleep(idle_time[i]);
        i = (i+1)%100;
    }
    return 0;
}

 

效果還不錯：

 

上面的程序都是在單CPU下完成的。如果在多CPU下，可以指定此進程只運行在某個CPU上，不再贅述了。