Windows 平臺計算 CPU 總利用率

mkckr0發表於2023-01-08
Windows

利用 GetSystemTimes 可以獲得 Windows 系統的 Idle Time、 Kernel Time 和 User Time。Idle Time 是系統空閒的時間，也就是系統沒有利用的時間。Kernel Time 是系統在核心模式下的執行時間。User Time 是系統在使用者模式下的執行時間。由於 Kernel Time 包含了 Idle Time，因此 CPU 的總利用時間為 Kernel Time + User Time - Idle Time。間隔一段時間連續兩次呼叫 GetSystemTimes，再利用時間差可以計算這段時間內的平均 CPU 總利用率。這個 API 返回的時間型別是 FILETIME，不能直接用其 dwHighDateTime 和 dwLowDateTime 成員相減。需要先將其轉化為 uint64_t 再進行計算。下面是示例程式碼：

#include <Windows.h>
#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>

void do_busy_things()
{
    while (true) {
        volatile int sum = 0;
        for (volatile int i = 0; i < 10000; ++i) {
            sum += i;
        }
    }
}

void measure_cpu_usage()
{
    struct system_time_t
    {
        uint64_t idle_time, kernel_time, user_time;
        system_time_t operator-(system_time_t other) {
            return {
                .idle_time = idle_time - other.idle_time,
                .kernel_time = kernel_time - other.kernel_time,
                .user_time = user_time - other.user_time,
            };
        }
    };

    struct system_time_file_t
    {
        FILETIME idle_time, kernel_time, user_time;
        system_time_t to_uint64_t() {
            system_time_t time{};
            time.idle_time = ((uint64_t)idle_time.dwHighDateTime << 32) | idle_time.dwLowDateTime;
            time.kernel_time = ((uint64_t)kernel_time.dwHighDateTime << 32) | kernel_time.dwLowDateTime;
            time.user_time = ((uint64_t)user_time.dwHighDateTime << 32) | user_time.dwLowDateTime;
            return time;
        }
    };

    while (true) {
        system_time_file_t begin_time{}, end_time{};
        GetSystemTimes(&begin_time.idle_time, &begin_time.kernel_time, &begin_time.user_time);
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
        GetSystemTimes(&end_time.idle_time, &end_time.kernel_time, &end_time.user_time);
        auto system_time = end_time.to_uint64_t() - begin_time.to_uint64_t();
        double cpu_usage_percent = 1.0 * (system_time.kernel_time + system_time.user_time - system_time.idle_time) / (system_time.kernel_time + system_time.user_time) * 100;
        std::cout << "cpu usage percent: " << cpu_usage_percent << "%" << std::endl;
    }
}

int main()
{
    //std::vector<std::thread> v(std::thread::hardware_concurrency());
    std::vector<std::thread> v(std::thread::hardware_concurrency() / 2);
    std::thread t0(measure_cpu_usage);

    for (auto& t : v) {
        t = std::thread(do_busy_things);
    }

    for (auto& t : v) {
        t.join();
    }

    t0.join();
}

這段程式碼啟動了物理執行緒數一半的執行緒執行 do_busy_things 函式，再啟動一個執行緒測量 CPU 總利用率。可以觀察到 CPU 總利用率在 50% ~ 52% 之間。開啟工作管理員，顯示 CPU 總利用率有 62%。使用 perfmon /res 開啟資源監視器，在 CPU 一欄有 "62% CPU 使用率 118% 最大頻率"。51% * 118% = 61%。工作管理員超頻下的執行時間也包括在內，而 GetSystemTimes 得到的時間不包括超頻下的執行時間。

將 do_busy_things 執行緒數改為 std::thread::hardware_concurrency()，也就是物理執行緒數。神奇的事情發生了，上面的程式碼顯示 100%，工作管理員顯示 100%，資源監視器顯示 "116% CPU 使用率 116% 最大頻率"。看來工作管理員進行了截斷，如果 CPU 總利用率大於 100%，會直接顯示100%。而資源監視器會實事求是地顯示。

總的來說，使用 GetSystemTimes 計算 CPU 總利用率雖然沒有包含超頻執行時間，但是不會超過 100%，符合直覺。

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