精準控制 CPU 佔用率：50% 穩定輸出的實作與原理

任務管理器每秒刷新一次 CPU 使用率圖表。要讓曲線呈現平穩的 50%，不能讓 CPU 「全速跑 1 秒、睡 1 秒」（那會呈現方波），必須在調度時間片粒度（Windows 約 10ms）內交替執行「忙等待」與「睡眠」。本文從原理推導到代碼實作，並分析實測偏差原因。

核心原理：時間片級別的占用控制

• 目標：每 10ms 時間片內，CPU 執行 5ms、閒置 5ms
• 忙等待：空 for 迴圈燃燒週期
• 閒置：Sleep(10) 釋放時間片（參數單位：毫秒）

迴圈次數估算（2.0 GHz CPU 為例）

// 假設：空 for 迴圈 ≈ 5 條組合指令
// 2.0 GHz = 2e9 週期/秒，雙發射 ≈ 4e9 指令/秒
// 1 秒可執行迴圈：4e9 / 5 = 8e8 次
// 10ms 時間片內：8e8 * 0.01 = 8,000,000 次

完整實作代碼

#include 
#include 
#include   // Sleep()

int main() {
    const long LOOPS_PER_SLICE = 8000000L; // 需依實測校準
    int i = 0;

    while (1) {
        // 忙等待：佔用 CPU
        for (i = 0; i < LOOPS_PER_SLICE; ++i) {
            // 空操作，編譯器優化可能移除，建議加 volatile 或內聯組語
        }
        // 釋放 CPU：睡眠 10ms
        Sleep(10);
    }
    return 0;
}

實測偏差分析

實際運行曲線往往不穩定，主要原因：

1. 系統背景負載：OS 服務、驅動、中斷處理同樣消耗 CPU
2. 編譯器優化：空迴圈可能被完全優化掉（需 volatile 或內聯 NOP）
3. 時間片不固定：Windows 非即時系統，調度延遲、優先級搶佔導致實際執行時間波動
4. 多核心干擾：單執行緒只能佔用單核，系統整體佔用率 = 單核佔用 / 核心數

改進方向（下篇預告）

• 使用高精度計時器 QueryPerformanceCounter 動態校準迴圈次數
• 多執行緒綁定不同核心，實現系統級佔用率控制
• 引入 PID 控制演算法，根據實際佔用率反饋調整忙等待時長

單純的忙等待+Sleep 只能作為教學示範。生產級 CPU 佔用率控制器，需結合高精度計時、多核調度、反饋控制等進階技術。