Go语言控制CPU占用率呈正弦曲线｜Go主题月

题目来源

《编程之美》的第一道题目，原文中给出了C语言的解法、相关函数接口与工具。思考如何使用Go来实现这一目标？

写一个程序，让用户来决定Windows任务管理器的CPU占用率。能够实现下面三种状况：

1. CPU的占用率固定在50%，为一条直线；
2. CPU的占用率为条直线，可是具体占用率由命令行参数以为（1~100）；
3. CPU的占用率状态是一个正弦曲线
4. 若是你的电脑是双核的，那么你的程序会有什么样的结果为何？

解决思路：

思考：如何使CPU的占用率为50%呢？ 咱们认为大致上有两种思路：

1. CPU一直运行，但速率/频率是全速运行的50%。
2. CPU按时间来划分，50%的时间全速运行，50%的时间不运行。

为何放弃思路1：调节CPU频率

​ (1) CPU的频率是与CPU的时钟周期有关，须要获取更多的硬件支持，而非软件角度

​ (2) 不必定具备普适性，好比调节Intel CPU与其余品牌的CPU频率方法不一样，不一样系列CPU支持也不一样，指令集也不一样。

​ (3) 控制CPU频率须要程序较高的执行权限，好比root权限

​ (4) 固然并不能说这种思路彻底不可行，Linux有 cpufrequtils 支持设置CPU的运行模式，其中有一种模式“userspace” ， 即用户自定义模式，供用户应用程序调节CPU运行频率，对这一思路感兴趣的同窗能够尝试一下。

​ (5) 最主要的缘由是，当咱们限制CPU频率为全速的50%时，CPU利用率会显示多少呢？也许此时，50%的频率又变成了CPU利用率的分母。

CPU利用率的计算公式：

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

但如同不该该拿筷子喝粥同样，人不该该陷入一种思路而不自拔。

思路2：控制运行与休眠时间比例

若是在必定时间范围内，控制程序运行与休眠时间的比例，也就控制了CPU的利用率。

思路2的方式是可行的，且在短期内是能够经过代码实现的。

好比咱们在1秒内，让程序执行500毫秒，休眠500毫秒，则能够认为CPU的利用率为50%。

实现思路2，咱们须要理清如下问题：

1. CPU利用率的统计周期是多久？是否有函数或方法可获取到CPU的周期数？
2. 如何让CPU “忙” 起来？
3. 如何让CPU “闲” 起来？
4. 多核心的CPU利用率统计规则？
5. 如何表达正弦曲线的X轴：时间？

CPU利用率的统计周期

观察任务管理器，大体可推断出统计周期为1秒。实际在程序中须要经过不一样的参数值来进行测试。

让CPU “忙” 起来

根据《编程之美》的叙述，当程序执行运算，作一些复杂操做，死循环等可以让CPU占用率上升。应该采用哪一种方式呢？

根据解决思路，让CPU忙起来的时间段内，须要让CPU短暂利用率为100%。所以咱们须要考察与测试，哪一种方式可以让CPU的占用率达到100%。 感兴趣的同窗可在稍后的程序中测试如下几种运算是否有差异： (1) 计算MD5值 (2) 执行+1操做 (3) 执行空循环

让CPU “闲” 下来

相似C语言中的Sleep函数，Go中也有time.Sleep(time.Duration)函数，形参time.Duration表示休眠的时间段。

多核心的CPU利用率统计规则

假如CPU有两个核心，一个核心运行状态为100%利用率，另外一个核心为空闲状态，CPU的利用率会使什么状况呢？

首先提出假设：Windows任务处理器的CPU占用率为多个核心的总占用率，即：N个核的CPU的占用率公式为：

CPU占用率 = (Z_1 + Z_2 + ... + Z_N) / N
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其中，Z_i表示第i个核的利用率。

在后续程序中，可经过配置不一样的协程goroutine数目来测试如何达到理想目标。参考设置的值有1，2（内核数），4（逻辑处理器数量）。

如何表达X轴：时间

如图，正弦曲线与CPU占用率窗口如图所示。

正弦函数sin(X)的取值范围为区间[-1, 1]，CPU利用率区间为[0, 100%]，作一个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为程序运行时间
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任务管理器展现CPU占用率时间窗口为60秒，正弦函数一个周期为区间[0, 2π]，作 [0, 60] -> [0, 2π] 的映射；即随着时间从0 ~ 60秒变化，x的变化为0 ~ 2π；即经过设置x的每秒步长为2π/60 ≈ 0.1，则60秒的窗口可绘制一个完整的正弦曲线。 即程序运行x秒时：

CPU利用率 = ( sin(0.1x) + 1 )/ 2，其中x为程序运行秒数
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实现代码

如下代码实现了CPU利用率呈现正弦函数：

package main

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

func main() {
    // 经过设置不一样的coreNum测试多核心CPU利用率
	coreNum := 4
	for i := 0; i < coreNum; i++ {
		go task(i)
	}
    // 经过等待输入实现main-goroutine不会终止
	a := ""
	fmt.Scan(&a)

}

func task(id int) {
	var j float64 = 0.0
    // 经过设置step来决定一个60秒的统计窗口展现几个正弦函数周期
    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 一个总的CPU利用率的统计周期，1000毫秒，感兴趣的能够测试一下时间段小于1000毫秒与大于1000毫秒的状况下曲线如何 * percent [0, 1], CPU利用率百分比 */
func compute(t, percent float64, id int) {
	// t 总时间，转换为纳秒
	var r int64 = 1000 * 1000
	totalNanoTime := t * (float64)(r)               // 纳秒
	runtime := totalNanoTime * percent              // 纳秒
	sleeptime := totalNanoTime - runtime            // 纳秒
	starttime := time.Now().UnixNano()              // 当前的纳秒数
	d := time.Duration(sleeptime) * time.Nanosecond // 休眠时间
	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 {
		// 此处易出错：只能用UnixNano而不能使用Now().Unix()
		// 由于Unix()的单位是秒，而整个运行周期
	}
	time.Sleep(d)
}

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思考问题

留几个问题给小伙伴们思考：

1. compute函数中为何要转换为纳秒？

答↑：由于一个周期是1000毫秒，也就是1秒，你不能用秒级单位来执行循环。固然，也能够用Millisecond或者Microsecond，可是不能用秒，而我只找到了两个熟悉的函数，time.Now().UnixNano()，time.Now().Unix()，因此只能选用第一个纳秒，小伙们能够能够尝试一下用秒回有什么现象

2. 多个逻辑处理器，运行一段时间后，各个协程之间的执行进度不一样了，这是为何？如何保持同步？ 答↑：进度不一样，1是可能受其余程序影响，2是各个核心的速度略有差别。能够经过在compute中传递从程序开始运行到当前时刻的时间差，而非传递1000毫秒来实现同步；或者使用其余同步方法

3. 让部分核心始终“闲”，让部分核心始终“忙”会有什么现象？循环中执行各类不一样运算有何种差异？

答↑：自行测试吧

4. 可否消除其余程序占用CPU的影响呢？

答↑：我不知道。 尝试获取cpu利用率：github/shirou/gopsutil/cpu，并在每次进入compute函数时经过在原百分比percent中移除其余程序执行所占百分比，可是后来发现，受限于gopsutil/cpu获取CPU利用率的方法，cpu.Percent(duration time.Duration, percpu bool)获取cpu利用率方法自己就须要1秒，因此你会获得一个十分跳跃的曲线。我暂时没有找到其余方法。欢迎知道的小伙伴在评论去留言指教