CPU的亲和性

前言

  CPU领域中最广为人知的一条定律——摩尔定律：预计18个月会将芯片的性能提高一倍。过去几十年，各大公司致力于提高CPU晶体管密度和提高CPU工作频率，使得CPU的性能提升基本符合摩尔定律。但随着工艺不断发展，晶体管密度提升已经接近物理极限，CPU工作频率也由于功耗和发热的制约而无法继续提升。在基础物理领域没有大的突破的前提下，单核CPU的性能提升日益困难，于是，各大公司将目光投向了通过增加CPU核心数提高性能领域，双核、4核、8核、16核等一系列多核CPU相继问世。

  怎样合理调度多个CPU核心运行应用程序从而充分利用多核CPU的优势成为热门的研究问题，本文介绍的CPU亲和性便是解决该问题的方法之一。

什么是CPU亲和性？

  引用一下维基百科的说法，CPU亲和性就是绑定某一进程（或线程）到特定的CPU（或CPU集合），从而使得该进程（或线程）只能运行在绑定的CPU（或CPU集合）上。CPU亲和性利用了这样一个事实：进程上一次运行后的残余信息会保留在CPU的状态中（也就是指CPU的缓存）。如果下一次仍然将该进程调度到同一个CPU上，就能避免缓存未命中等对CPU处理性能不利的情况，从而使得进程的运行更加高效。

  CPU亲和性分为两种：软亲和性和硬亲和性。软亲和性主要由操作系统来实现，Linux操作系统的调度器会倾向于保持一个进程不会频繁的在多个CPU之间迁移，通常情况下调度器都会根据各个CPU的负载情况合理地调度运行中的进程，以减轻繁忙CPU的压力，提高所有进程的整体性能。除此以外，Linux系统还提供了硬亲和性功能，即用户可以通过调用系统API实现自定义进程运行在哪个CPU上，从而满足特定进程的特殊性能需求。

如何将CPU亲和性应用到程序中

  Linux系统中每个进程的task_struct结构中有一个cpus_allowed 位掩码，该掩码的位数与系统CPU核数相同（若CPU启用了超线程则为核数乘以2），通过修改该位掩码可以控制进程可运行在哪些特定CPU上。Linux系统为我们提供了CPU亲和性相关的调用函数和一些操作的宏定义，函数主要是下面两个：

• sched_setaffinity() （修改位掩码）
• sched_getaffinity() （查看当前的位掩码）

  除此之外还提供了一些宏定义来修改掩码，如CPU_ZERO()(将位掩码全部设置为0)和CPU_SET()(设置特定掩码位为1)。

  下面以一个4核CPU两个进程绑定在指定CPU上运行为例：

#define _GNU_SOURCE
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <sched.h>
// nginx.conf --> set affinity 0000 0000,nginx配置文件中是可以配置的
//针对CPU的粘合，进程和线程都是可以粘合的
//这其实也是一种固定做法
void process_affinity(int num) {
  //下面两行都是同样的操作
  //gettid()
  pid_t self_id = syscall(__NR_gettid); //__NR_gettid是一个系统调用号id，syscall通过调用一个id号触发的就是一个系统调用
  //cpu_set_t是一个集合,数量等于cpu的数量，CPU_ZERO是把cpu_set_t集合清空，
  //CPU_SET意思是将对应的哪一个cpu置1，sched_setaffinity意思是将对应的进程绑定在置1的CPU上运行
  cpu_set_t mask;
  CPU_ZERO(&mask);
  CPU_SET(self_id % num, &mask);
  sched_setaffinity(self_id, sizeof(mask), &mask);
  while(1);
}
int main() {
  //获取cpu的数量,sysconf是读取的配置文件，从而获取number
  int num = sysconf(_SC_NPROCESSORS_CONF);
  printf("num: %d\n", num);
  int i = 0;
  pid_t pid = 0;
  for (int i = 0; i < num/2; i++) {
    pid = fork();
    if (pid <= 0) {
      break;
    }
  }
  //走到这里说明有三个进程,其中有两个进程的pid=0
  if (pid == 0) {
    //将两个子进程绑定在指定CPU上
    process_affinity(num);
  }
  //主进程加一个while(1),usleep
  while(1) usleep(1);
}

  我们使用ps -eo pid,ppid,args,psr | grep ./aff和htop命令发现，子进程31586跑在3号cpu上，子进程31587跑在4号cpu上，并且都跑满了。并且可知进程与CPU绑定成功，进程只会运行在绑定的CPU上而不会被操作系统调度到其他CPU上。

CPU亲和性的应用场景

• 假如某些进程需要高密度的计算，不希望被频繁调度，则可以使用CPU亲和性将该进程绑定到一个CPU上；
• 在股票期货高频交易场景中，交易策略线程的运行时间关系到交易延迟的大小，而交易延迟1ms的差距可能就是赚钱与亏钱的差距，所以交易策略线程的优先级非常高，这时便可以为其分配一个专门用于策略计算的CPU，以避免线程被调度产生性能损失；
• 高性能的Nginx采用多线程模型，并且提供了worker进程绑定固定CPU的功能，降低worker进程被调度的损耗，提高了服务器工作性能；
• 一些文献中还提到了应用CPU亲和性优化KVM虚拟化技术的性能，在不减少吞吐量的情况下，可以将KVM的网络延迟性能降低20%；

总结

  一般情况下，Linux系统的进程调度器已经做得足够好，不需要我们干预进程的调度，但是系统的进程调度是面向所有应用程序的，势必会为了通用性而牺牲掉一部分性能，但对于特定应用程序而言，我们可以通过CPU亲和性去优化程序的性能表现。

  我们相对于计算机的优势就是我们知道我们的程序的功能、每个进程的重要程度，所以可以根据进程的重要程度更合理的分配计算机的CPU资源。