怎样让Windows任务管理器CPU占用率呈现正玄曲线（解释+C#实现）

最近看CLR via C#的线程一部分，对线程的理解有了很大的提高。于是我突然想起了大学时在光谷书城看到的一本书，讲的是微软的面试，翻了几页就发现了作者在说这个问题。当时我感觉这个作者很牛B，因为对当时的水平还比较菜。后来就淡忘了。（当然我也没买那本书，没想到今后会求职）

今天突然想起来这个问题。小试一下，居然成功了。我在这里斗胆向各位介绍一下背后的原理并附上代码，这种程序没有什么实际意义，纯粹一种加深对多线程理解的练习。

有图有真像：



其实我的第一次尝试是这样的：



如果有不懂的，先看我下面的解释，然后我再解释上面两幅图代表的意思（先申明机器是双核的）。

1. CPU占用率是什么？

首先我们得知道CPU占用率是什么，也就是任务管理器上的数据代表什么意思。

一个CPU占用率就是一段时间内CPU真正执行指令的时间占这段时间的比率。比如你的CPU在1000毫秒之内，有300毫秒执行指令，700毫秒闲着，那么CPU占用率就是30%。所以我们应该知道，CPU占用率是一段时间的统计值，而不是一个某一个时刻的瞬时值。据肉眼观察，我发现Windows任务管理器大概一秒一个占用率数据。

另一个重要的概念就是CPU空转和空闲的区分。CPU空转是占用着的，也就是CPU在执行一些没用的空指令，就像这样

while(true)
{}

CPU这时候就不断的运行，不仅耗电，而且纯属浪费。而CPU空闲则指CPU没有执行什么指令，一般是操作系统来控制的。比如

Thread.Sleep(500);

就让当前的线程停止执行500毫秒的时间，Windows调度程序就把线程挂起，CPU用来做其他的事情或者什么都不干，不费电。这段时间是不算在占用里的。

2. 怎么实现？

既然我们知道了什么是占用率，那么我们就知道该怎么做了。如果我们希望一段时间内CPU占用率为30%，那么我们要这样做：

1> 首先随便执行点指令

2> 如果当前的所消耗的时间不到指定时间的30%，返回1

3> 剩下的时间Sleep

这样我们就能保证这段时间内，CPU占用率是30%。但是这段时间一定要非常小，至少要小于Windows任务管理器的采样时间间隔。越小就越精准，但太小了也不行，没法精确控制时间。所以建议时间为500-1000毫秒。

既然我们知道了在一个很短的时间内怎么控制其CPU占用率，那么剩下的就是怎么产生一个使用率了。为了产生正弦使用率，我们要使用Math.Sin()函数（废话）。但是Sin的值域是[-1,1]，而占用率是[0,1]，所以我们要把Sin的值域转换为占用率，即sin(x)/2+0.5。

接下来就是不断地从0到2*PI之间循环，中间调用控制CPU占用率的函数即可。

3. 问题

如果你是按照以上来实现的话，有可能成功，但是在多核的机器上效果就是我一开始实现的效果（图2）。系统把一个线程分在两个CPU上执行，所以只能看到大致的形状。因为有两个CPU，所以使用率最大是50%。

为了解决多核的问题，我们要获得当前机器的CPU数量，然后在安排同样数量的线程去执行循环。最方便的就是使用线程池的QueueUserWorkItem。然后主线程一定要放弃CPU，无穷等待，要不然你的程序一下子就关闭了。因为使用线程池，所以无法单独设置某个线程为前台还是后台，所以只能让主线程等了。

如果正确地设置了多线程执行，那么在你的机器上应该能看到如图1的效果。不完美之处可能由两个原因导致。首先你的系统有其他程序在执行，会破坏占用率既有形式。所以测试的时候尽量不要开其他程序。另一个原因是我使用了C#，而.Net在垃圾回收时，会使用CPU，也会破坏既有占有率。可以一定程度上避免垃圾回收的影响，但是得不偿失，对我们这个程序用处不大，所以直接可以忽略。

注意在Linux下CPU占用率（top）好像和Windows有点区别，Linux下每个CPU都是100%，所以你有两个核，最大占有率是200%。而Windows是所有的核加在一起是100%。

4. 代码

using System;
using System.Threading;
using System.Diagnostics;

public sealed class Program
{
public static void Main(string[] args)
{
Console.WriteLine("Program SIN");
Console.WriteLine("Making the Windows Task Manager show Sine Wave Pattern in CPU usage");
Console.WriteLine("Now look at your task manager cpu usage!");

int numOfCPUs = Environment.ProcessorCount;
for(int i = 0; i < numOfCPUs; ++i)
{
ThreadPool.QueueUserWorkItem(SinWave);
}
Thread.Sleep(Timeout.Infinite);
}

private static void SinWave(object dummy)
{
while(true)
{
for(double i = 0.0; i < 2 * Math.PI; i += 0.1)
{
Compute(500, Math.Sin(i)/2.0 + 0.5);
}
}
}

private static Stopwatch m_sw = new Stopwatch();
private static void Compute(long time, double percent)
{
long runTime = (long)(time * percent);
long sleepTime = time - runTime;
m_sw.Start();
while(m_sw.ElapsedMilliseconds - runTime < 0 )
{
// Spin the CPU. Just doing nothing is OK
}
m_sw.Stop();
m_sw.Reset();
Thread.Sleep((int)sleepTime);
}
}

以上代码中Compute方法获得一个时间参数（时间间隔），和一个执行时间的百分比，不断空转CPU测试是否到达指定的时间，到达后就睡觉。注意精确的时间是不需要的，因为Windows任务管理器画图的精度也有限。

SineWave函数让执行它的CPU不断的以500毫秒间隔进行，执行一会儿，睡一会儿，但是这个比例是由Sin函数控制的。Sin函数的周期由for循环中i的增量来控制，我选择的是0.1。

最后主函数只负责给每一CPU扔一个SineWave到线程池里，然后自己就睡觉了。这样所有的CPU都可以执行同样的代码。那么你在任务管理器中就看到正弦曲线了。

5. 最后说两句

其实这种方法可以实现任何単值有界连续函数（还记得高数吗？）的画图。具体就是把那个函数映射到[0,1]之间就行了。

强烈推荐大家看CLR via C#最新版（第二版的中文版就算了），尤其是最后一部分，对线程、并发等问题的阐述非常精辟，那可都是Richter一辈子的精华啊，甚至比在Windows via C/C++上都好。不一定C#或.Net程序员才能受益，所有的程序员都会受益。我最熟悉的还是C++，但是看了CLR via C#，我对Windows本身的理解都有很大提高。只要你理解了，什么问题都可以自己做出来的。