Java 透過 JNI 實現精準 CPU 監控：從原生調用到完整監控框架

為什麼純 Java 做不到？

JDK 未提供直接獲取當前進程 CPU 使用率的 API。常見替代方案——Runtime.exec("ps") 解析輸出——存在啟動開銷大、解析脆弱、跨平台不一致等缺陷。

JNI 方案核心原理

在 Win32 平台調用 GetProcessTimes() 獲取進程在核心態與用戶態消耗的 CPU 時間，累加後換算為毫秒。

1. Java 端聲明

package com.vladium.utils;

public class SystemInformation {
    public static native long getProcessCPUTime();

    static {
        try { System.loadLibrary("silib"); }
        catch (UnsatisfiedLinkError e) {
            System.err.println("native lib 'silib' not found in java.library.path");
            throw e;
        }
    }
}

2. C 端實現

// 全域變量
static HANDLE s_currentProcess;
static int s_numberOfProcessors;

// 庫載入時初始化
JNIEXPORT jint JNICALL JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved) {
    SYSTEM_INFO si;
    s_currentProcess = GetCurrentProcess();
    GetSystemInfo(&si);
    s_numberOfProcessors = si.dwNumberOfProcessors;
    return JNI_VERSION_1_2;
}

// 核心方法
JNIEXPORT jlong JNICALL Java_com_vladium_utils_SystemInformation_getProcessCPUTime
    (JNIEnv* env, jclass cls) {
    FILETIME creation, exit, kernel, user;
    GetProcessTimes(s_currentProcess, &creation, &exit, &kernel, &user);
    // kernel + user 時間（100ns 為單位）轉毫秒，再除以 CPU 核心數
    return (fileTimeToInt64(&kernel) + fileTimeToInt64(&user)) / (s_numberOfProcessors * 10000);
}

3. Java 端快照與計算

public static final class CPUUsageSnapshot {
    public final long timestamp, cpuTime;
    private CPUUsageSnapshot(long ts, long ct) { timestamp = ts; cpuTime = ct; }
}

public static CPUUsageSnapshot makeCPUUsageSnapshot() {
    return new CPUUsageSnapshot(System.currentTimeMillis(), getProcessCPUTime());
}

public static double getProcessCPUUsage(CPUUsageSnapshot start, CPUUsageSnapshot end) {
    return (double)(end.cpuTime - start.cpuTime) / (end.timestamp - start.timestamp);
}

完整監控線程

採用 Observer 模式，每 0.5 秒採樣一次，通知所有監聽器：

public class CPUUsageThread extends Thread {
    private final List listeners = new CopyOnWriteArrayList<>();
    private long interval = 500;

    public void run() {
        CPUUsageSnapshot last = SystemInformation.makeCPUUsageSnapshot();
        while (!isInterrupted()) {
            sleep(interval);
            CPUUsageSnapshot now = SystemInformation.makeCPUUsageSnapshot();
            double usage = SystemInformation.getProcessCPUUsage(last, now);
            for (CPUUsageListener l : listeners) l.cpuUsageUpdated(usage);
            last = now;
        }
    }
    // ... listener 管理方法
}

實戰演示

啟動命令：

java -Djava.library.path=. -cp silib.jar;SwingSet2.jar CPUmon SwingSet2

輸出範例：

[PID: 339] CPU usage: 46.8%
[PID: 339] CPU usage: 51.4%
[PID: 339] CPU usage: 100%  // 觸發動畫時雙核跑滿
[PID: 339] CPU usage: 50%   // 手動設定 Affinity 為單核後

關鍵優勢

• ✅ 程式化獲取精確 CPU 佔用，支援長時間壓測與伺服器診斷
• ✅ 僅依賴 GetProcessTimes，無需管理員權限
• ✅ 架構清晰：原生層只負責數據採集，邏輯層負責計算與分發

完整原始碼可參考文章附帶的 silib.jar 與 CPUmon 範例。