Go語言控制CPU佔用率呈正弦曲線｜Go主題月

題目來源

《編程之美》的第一道題目，原文中給出了C語言的解法、相關函數接口與工具。思考如何使用Go來實現這一目標？git

寫一個程序，讓用戶來決定Windows任務管理器的CPU佔用率。能夠實現下面三種狀況：github

CPU的佔用率固定在50%，爲一條直線；

CPU的佔用率爲條直線，可是具體佔用率由命令行參數以爲（1~100）；

CPU的佔用率狀態是一個正弦曲線

若是你的電腦是雙核的，那麼你的程序會有什麼樣的結果爲何？

解決思路：

思考：如何使CPU的佔用率爲50%呢？咱們認爲大致上有兩種思路：編程

CPU一直運行，但速率/頻率是全速運行的50%。
CPU按時間來劃分，50%的時間全速運行，50%的時間不運行。

爲何放棄思路1：調節CPU頻率

(1) CPU的頻率是與CPU的時鐘週期有關，須要獲取更多的硬件支持，而非軟件角度markdown

(2) 不必定具備普適性，好比調節Intel CPU與其餘品牌的CPU頻率方法不一樣，不一樣系列CPU支持也不一樣，指令集也不一樣。svn

(3) 控制CPU頻率須要程序較高的執行權限，好比root權限函數

(4) 固然並不能說這種思路徹底不可行，Linux有 cpufrequtils 支持設置CPU的運行模式，其中有一種模式「userspace」，即用戶自定義模式，供用戶應用程序調節CPU運行頻率，對這一思路感興趣的同窗能夠嘗試一下。工具

(5) 最主要的緣由是，當咱們限制CPU頻率爲全速的50%時，CPU利用率會顯示多少呢？也許此時，50%的頻率又變成了CPU利用率的分母。測試

CPU利用率的計算公式：flex

RealTimeCPULoad=1-(RTCPUPerformance/CPUPerformanceBase)*100%。url

但如同不該該拿筷子喝粥同樣，人不該該陷入一種思路而不自拔。

思路2：控制運行與休眠時間比例

若是在必定時間範圍內，控制程序運行與休眠時間的比例，也就控制了CPU的利用率。

思路2的方式是可行的，且在短期內是能夠經過代碼實現的。

好比咱們在1秒內，讓程序執行500毫秒，休眠500毫秒，則能夠認爲CPU的利用率爲50%。

實現思路2，咱們須要理清如下問題：

CPU利用率的統計週期是多久？是否有函數或方法可獲取到CPU的週期數？
如何讓CPU 「忙」起來？
如何讓CPU 「閒」起來？
多核心的CPU利用率統計規則？
如何表達正弦曲線的X軸：時間？

CPU利用率的統計週期

觀察任務管理器，大體可推斷出統計週期爲1秒。實際在程序中須要經過不一樣的參數值來進行測試。

讓CPU 「忙」起來

根據《編程之美》的敘述，當程序執行運算，作一些複雜操做，死循環等可以讓CPU佔用率上升。應該採用哪一種方式呢？

根據解決思路，讓CPU忙起來的時間段內，須要讓CPU短暫利用率爲100%。所以咱們須要考察與測試，哪一種方式可以讓CPU的佔用率達到100%。感興趣的同窗可在稍後的程序中測試如下幾種運算是否有差異： (1) 計算MD5值 (2) 執行+1操做 (3) 執行空循環

讓CPU 「閒」下來

相似C語言中的Sleep函數，Go中也有time.Sleep(time.Duration)函數，形參time.Duration表示休眠的時間段。

多核心的CPU利用率統計規則

假如CPU有兩個核心，一個核心運行狀態爲100%利用率，另外一個核心爲空閒狀態，CPU的利用率會使什麼狀況呢？

首先提出假設：Windows任務處理器的CPU佔用率爲多個核心的總佔用率，即：N個核的CPU的佔用率公式爲：

CPU佔用率 = (Z_1 + Z_2 + ... + Z_N) / N
複製代碼

其中，Z_i表示第i個核的利用率。

在後續程序中，可經過配置不一樣的協程goroutine數目來測試如何達到理想目標。參考設置的值有1，2（內核數），4（邏輯處理器數量）。

如何表達X軸：時間

如圖，正弦曲線與CPU佔用率窗口如圖所示。

正弦函數sin(X)的取值範圍爲區間[-1, 1]，CPU利用率區間爲[0, 100%]，作一個sin(X) -> CPU利用率的映射，很容易得出：

CPU利用率 = (sin(x) + 1) / 2， 其中x爲程序運行時間
複製代碼

任務管理器展現CPU佔用率時間窗口爲60秒，正弦函數一個週期爲區間[0, 2π]，作 [0, 60] -> [0, 2π] 的映射；即隨着時間從0 ~ 60秒變化，x的變化爲0 ~ 2π；即經過設置x的每秒步長爲2π/60 ≈ 0.1，則60秒的窗口可繪製一個完整的正弦曲線。即程序運行x秒時：

CPU利用率 = ( sin(0.1x) + 1 )/ 2，其中x爲程序運行秒數
複製代碼

實現代碼

如下代碼實現了CPU利用率呈現正弦函數：

package main

import (
	"fmt"
	"math"
	"time"
)

func main() {
    // 經過設置不一樣的coreNum測試多核心CPU利用率
	coreNum := 4
	for i := 0; i < coreNum; i++ {
		go task(i)
	}
    // 經過等待輸入實現main-goroutine不會終止
	a := ""
	fmt.Scan(&a)

}

func task(id int) {
	var j float64 = 0.0
    // 經過設置step來決定一個60秒的統計窗口展現幾個正弦函數週期
    var step float64 = 0.1
	for j = 0.0; j < 8*2*math.Pi; j += step {
		compute(1000.0, math.Sin(j)/2.0+0.5, id)
	}
}

/** * t 一個總的CPU利用率的統計週期，1000毫秒，感興趣的能夠測試一下時間段小於1000毫秒與大於1000毫秒的狀況下曲線如何 * percent [0, 1], CPU利用率百分比 */
func compute(t, percent float64, id int) {
	// t 總時間，轉換爲納秒
	var r int64 = 1000 * 1000
	totalNanoTime := t * (float64)(r)               // 納秒
	runtime := totalNanoTime * percent              // 納秒
	sleeptime := totalNanoTime - runtime            // 納秒
	starttime := time.Now().UnixNano()              // 當前的納秒數
	d := time.Duration(sleeptime) * time.Nanosecond // 休眠時間
	fmt.Println("id:", id, ", totaltime = ", t, ", runtime = ", runtime, ", sleeptime = ", sleeptime, " sleep-duration=", d, ", nano = ", time.Now().UnixNano())
	for float64(time.Now().UnixNano())-float64(starttime) < runtime {
		// 此處易出錯：只能用UnixNano而不能使用Now().Unix()
		// 由於Unix()的單位是秒，而整個運行週期
	}
	time.Sleep(d)
}

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思考問題

留幾個問題給小夥伴們思考：

compute函數中爲何要轉換爲納秒？

答↑：由於一個週期是1000毫秒，也就是1秒，你不能用秒級單位來執行循環。固然，也能夠用Millisecond或者Microsecond，可是不能用秒，而我只找到了兩個熟悉的函數，time.Now().UnixNano()，time.Now().Unix()，因此只能選用第一個納秒，小夥們能夠能夠嘗試一下用秒回有什麼現象

多個邏輯處理器，運行一段時間後，各個協程之間的執行進度不一樣了，這是爲何？如何保持同步？ 答↑：進度不一樣，1是可能受其餘程序影響，2是各個核心的速度略有差別。能夠經過在compute中傳遞從程序開始運行到當前時刻的時間差，而非傳遞1000毫秒來實現同步；或者使用其餘同步方法
讓部分核心始終「閒」，讓部分核心始終「忙」會有什麼現象？循環中執行各類不一樣運算有何種差異？

答↑：自行測試吧

可否消除其餘程序佔用CPU的影響呢？

答↑：我不知道。嘗試獲取cpu利用率：github/shirou/gopsutil/cpu，並在每次進入compute函數時經過在原百分比percent中移除其餘程序執行所佔百分比，可是後來發現，受限於gopsutil/cpu獲取CPU利用率的方法，cpu.Percent(duration time.Duration, percpu bool)獲取cpu利用率方法自己就須要1秒，因此你會獲得一個十分跳躍的曲線。我暫時沒有找到其餘方法。歡迎知道的小夥伴在評論去留言指教