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: 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 1 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 1 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1 using System;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。 |