程式控制 CPU 佔用率：從簡單空循環到精準調度的探索

需求與思路

《編程之美》啟發：編寫程式使任務管理器顯示 CPU 佔用率穩定在 50%。任務管理器約 1 秒刷新一次，Windows 時間片約 10 ms。若在 1 秒內讓 CPU 忙閒各佔 50%（即 10 ms 忙 + 10 ms 閒循環），平均佔用率即為 50%。

第一版：校準空循環次數

理論計算

• CPU 主頻 2.0 GHz，雙發射 → 40 億指令/秒
• 空循環約 5 條彙編指令 → 8 億次/秒
• 單時間片 (10 ms) 需 800 萬次循環

代碼實現

#include 
#include 
#include  // Sleep()

int main() {
    const long n = 8000000; // 理論值
    int i = 0;
    while (1) {
        for (i = 0; i < n; i++) { /* empty */ }
        Sleep(10); // 釋放時間片約 10 ms
    }
    return 0;
}

實測偏差分析

• 系統背景進程、中斷處理、I/O、核心調度均搶佔 CPU。
• 空循環指令數隨編譯器優化、管線、快取而變動。
• Sleep(10) 精度有限（最小 ~15.6 ms），實際閒置時間不穩定。

改進方向（下篇預告）

1. 動態校準：啟動時測量單位時間空循環次數，自動調整 n。
2. 高精度計時：使用 QueryPerformanceCounter 替代 Sleep，忙等待精確控制時間片。
3. 多核心適配：設定執行緒親和性（SetThreadAffinityMask）鎖定單核，避免跨核調度干擾。
4. 反饋控制：定期讀取自身 CPU 時間（GetProcessTimes），PID 調整忙閒比例。

核心啟示

「控制 CPU 佔用率」本質是時間片級別的資源調度博弈。單純空循環+Sleep 只能作為教學示範；生產級方案需結合高精度計時、動態反饋、系統負載感知，並考慮功耗與熱功耗影響。這也是作業系統調度器每天在做的事——我們只是在用戶態嘗試模擬而已。