Linux中CPU亲和性(affinity)

人人极客社区发表于 11月以前 | 总阅读数：411 次

1、Perface

今天来聊聊亲和力，在这之前我们想比都听说过超线程。

超线程技术(Hyper-Threading)： 就是利用特殊的硬件指令，把两个逻辑内核(CPU core)模拟成两个物理芯片，（一个核模拟出两个核？）

尽管提高CPU的时钟频率和增加缓存容量后的确可以改善CPU性能，但这样的CPU性能提高在技术上存在较大的难度。实际上在应用中基于很多原因，CPU的执行单元都没有被充分使用。如果CPU不能正常读取数据(总线/内存的瓶颈)，其执行单元利用率会明显下降。另外就是目前大多数执行线程缺乏ILP(Instruction-Level Parallelism，多种指令同时执行)支持。这些都造成了目前CPU的性能没有得到全部的发挥。

因此，Intel则采用另一个思路去提高CPU的性能，让CPU可以同时执行多重线程，就能够让CPU发挥更大效率，即所谓“超线程(Hyper-Threading，简称“HT”)”技术。超线程技术就是利用特殊的硬件指令，把两个逻辑内核模拟成两个物理芯片，让单个处理器都能使用线程级并行计算，进而兼容多线程操作系统和软件，减少了CPU的闲置时间，提高的CPU的运行效率。

CPU:主板插槽上 cpu芯片的个数
物理内核:嵌在cpu芯片上的处理器，一个cpu可以有多个内核，其id都不一样
逻辑内核:通过超线程技术，能将一个物理核分成多个逻辑核,也就是代码层面的多线程技术

让单个处理器都能使用线程级并行计算，进而兼容多线程操作系统和软件，减少了CPU的闲置时间，提高的CPU的运行效率。

我们常听到的双核四线程/四核八线程指的就是支持超线程技术的CPU.

物理CPU: 机器上安装的实际CPU, 比如说你的主板上安装了一个8核CPU,那么物理CPU个数就是1个,所以物理CPU个数就是主板上安装的CPU个数。

逻辑CPU: 一般情况，我们认为一颗CPU可以有多核，加上intel的超线程技术(HT), 可以在逻辑上再分一倍数量的CPU core出来；

逻辑CPU数量 = 物理CPU数量 x CPU cores x 2(如果支持并开启HT)

前提是CPU的型号一致，如果不一致只能一个一个的加起来，不用直接乘以物理CPU数量

比如你的电脑安装了一块4核CPU，并且支持且开启了超线程（HT）技术，那么逻辑CPU数量 = 1 × 4 × 2 = 8

Linux下查看CPU相关信息, CPU的信息主要都在/proc/cupinfo中,

# 查看物理CPU个数
cat /proc/cpuinfo|grep "physical id"|sort -u|wc -l

# 查看每个物理CPU中core的个数(即核数)
cat /proc/cpuinfo|grep "cpu cores"|uniq

# 查看逻辑CPU的个数
cat /proc/cpuinfo|grep "processor"|wc -l

# 查看CPU的名称型号
cat /proc/cpuinfo|grep "name"|cut -f2 -d:|uniq

Linux查看某个进程运行在哪个逻辑CPU上ps -eo pid,args,psr

参数的含义：

pid - 进程ID

args - 该进程执行时传入的命令行参数

psr - 分配给进程的逻辑CPU

例子:

[~]# ps -eo pid,args,psr | grep nginx9073 nginx: master process /usr/   19074 nginx: worker process         09075 nginx: worker process         19076 nginx: worker process         29077 nginx: worker process         313857 grep nginx                   3

Linux查看线程的TID
- TID就是Thread ID,他和POSIX中pthread_t表示的线程ID完全不是同一个东西.
- Linux中的POSIX线程库实现的线程其实也是一个轻量级进程(LWP),这个TID就是这个线程的真实PID.
- 但是又不能通过getpid()函数获取，Linux中定义了gettid()这个接口，但是通常都是未实现的，所以需要使用下面的方式获取TID。

//program
#include <sys/syscall.h>  
pid_t tid;
tid = syscall(__NR_gettid);// or syscall(SYS_gettid)  

//command-line 3种方法(推荐第三种方法)
（1）ps -efL | grep prog_name
（2）ls /proc/pid/task            //文件夹名即TID（3）ps -To 'pid,lwp,psr,cmd' -p PID

基于上述背景之下，我们来学习一下什么是CPU亲和力

CPU亲和性(亲和力)

概念

CPU affinity 是一种调度属性(scheduler property), 它可以将一个进程"绑定" 到一个或一组CPU上.

在SMP(Symmetric Multi-Processing对称多处理)架构下，Linux调度器(scheduler)会根据CPU affinity的设置让指定的进程运行在"绑定"的CPU上,而不会在别的CPU上运行.

Linux调度器同样支持自然CPU亲和性(natural CPU affinity): 调度器会试图保持进程在相同的CPU上运行, 这意味着进程通常不会在处理器之间频繁迁移,进程迁移的频率小就意味着产生的负载小。

因为程序的作者比调度器更了解程序,所以我们可以手动地为其分配CPU核，而不会过多地占用CPU0，或是让我们关键进程和一堆别的进程挤在一起,所有设置CPU亲和性可以使某些程序提高性能。

表示方法

CPU affinity 使用位掩码(bitmask)表示, 每一位都表示一个CPU, 置1表示"绑定".

最低位表示第一个逻辑CPU, 最高位表示最后一个逻辑CPU.

CPU affinity典型的表示方法是使用16进制,具体如下.

0x00000001
    is processor #0

0x00000003
    is processors #0 and #1

0xFFFFFFFF
    is all processors (#0 through #31)

taskset命令

taskset命名用于获取或者设定CPU亲和性.

# 命令行形式
taskset [options] mask command [arg]...taskset [options] -p [mask] pidPARAMETER    mask : cpu亲和性,当没有-c选项时, 其值前无论有没有0x标记都是16进制的,        当有-c选项时,其值是十进制的.    command : 命令或者可执行程序    arg : command的参数    pid : 进程ID,可以通过ps/top/pidof等命令获取

OPTIONS    -a, --all-tasks (旧版本中没有这个选项)        这个选项涉及到了linux中TID的概念,他会将一个进程中所有的TID都执行一次CPU亲和性设置.        TID就是Thread ID,他和POSIX中pthread_t表示的线程ID完全不是同一个东西.        Linux中的POSIX线程库实现的线程其实也是一个进程(LWP),这个TID就是这个线程的真实PID.
       -p, --pid
              操作已存在的PID,而不是加载一个新的程序
       -c, --cpu-list
              声明CPU的亲和力使用数字表示而不是用位掩码表示. 例如 0,5,7,9-11.
       -h, --help
              display usage information and exit
       -V, --version
              output version information and exit
  USAGE
    1) 使用指定的CPU亲和性运行一个新程序
      taskset [-c] mask command [arg]...
        举例:使用CPU0运行ls命令显示/etc/init.d下的所有内容 
          taskset -c 0 ls -al /etc/init.d/
    2) 显示已经运行的进程的CPU亲和性
      taskset -p pid
        举例:查看init进程(PID=1)的CPU亲和性
          taskset -p 1
    3) 改变已经运行进程的CPU亲和力
        taskset -p[c] mask pid
        举例:打开2个终端,在第一个终端运行top命令,第二个终端中
          首先运行:[~]# ps -eo pid,args,psr | grep top #获取top命令的pid和其所运行的CPU号
          其次运行:[~]# taskset -cp 新的CPU号 pid       #更改top命令运行的CPU号
          最后运行:[~]# ps -eo pid,args,psr | grep top #查看是否更改成功
  PERMISSIONS        一个用户要设定一个进程的CPU亲和性,如果目标进程是该用户的,则可以设置,如果是其他用户的,则会设置失败,提示 Operation not permitted.当然root用户没有任何限制.
        任何用户都可以获取任意一个进程的CPU亲和性.

taskset命令其实就是使用sched_getaffinity()和sched_setaffinity()接口实现的,相信看完了第3节你也能自己实现一个taskset命令.

有兴趣的可以看一下其源代码:ftp://ftp.kernel.org/pub/linux/utils/util-linux/vX.YZ/util-linux-X.YZ-xxx.tar.gz /schedutils/taskset.c

编程API

下面是用用于设置和获取CPU亲和性相关的API.

#define _GNU_SOURCE
#include <sched.h>
#include <pthread.h> //for pthread functions(last 4) 注意<pthread.h>包含<sched.h>

/* MACRO */
    /* The following macros are provided to operate on the CPU set set */
        /* Clears set, so that it contains no CPUs */
        void CPU_ZERO(cpu_set_t *set);
        void CPU_ZERO_S(size_t setsize, cpu_set_t *set);

        /* Add CPU cpu to set */
        void CPU_SET(int cpu, cpu_set_t *set);
        void CPU_SET_S(int cpu, size_t setsize, cpu_set_t *set);

        /* Remove CPU cpu from set */
        void CPU_CLR(int cpu, cpu_set_t *set);
        void CPU_CLR_S(int cpu, size_t setsize, cpu_set_t *set);

        /* Test to see if CPU cpu is a member of set */
        int CPU_ISSET(int cpu, cpu_set_t *set);
        int CPU_ISSET_S(int cpu, size_t setsize, cpu_set_t *set);

        /* Return the number of CPUs in set */
        void CPU_COUNT(cpu_set_t *set);
        void CPU_COUNT_S(size_t setsize, cpu_set_t *set);

    /* The following macros perform logical operations on CPU sets */
        /* Store the logical AND of the sets srcset1 and srcset2 in destset (which may be one of the source sets). */
        void CPU_AND(cpu_set_t *destset, cpu_set_t *srcset1, cpu_set_t *srcset2);
        void CPU_AND_S(size_t setsize, cpu_set_t *destset, cpu_set_t *srcset1, cpu_set_t *srcset2);

        /* Store the logical OR of the sets srcset1 and srcset2 in destset (which may be one of the source sets). */
        void CPU_OR(cpu_set_t *destset, cpu_set_t *srcset1, cpu_set_t *srcset2);
        void CPU_OR_S(size_t setsize, cpu_set_t *destset, cpu_set_t *srcset1, cpu_set_t *srcset2);

        /* Store  the logical XOR of the sets srcset1 and srcset2 in destset (which may be one of the source sets). */
        void CPU_XOR(cpu_set_t *destset, cpu_set_t *srcset1, cpu_set_t *srcset2);
        void CPU_XOR_S(size_t setsize, cpu_set_t *destset, cpu_set_t *srcset1, cpu_set_t *srcset2);

        /* Test whether two CPU set contain exactly the same CPUs. */
        int CPU_EQUAL(cpu_set_t *set1, cpu_set_t *set2);
        int CPU_EQUAL_S(size_t setsize, cpu_set_t *set1, cpu_set_t *set2);

    /* The following macros are used to allocate and deallocate CPU sets: */
        /* Allocate a CPU set large enough to hold CPUs in the range 0 to num_cpus-1 */
        cpu_set_t *CPU_ALLOC(int num_cpus);

        /* Return the size in bytes of the CPU set that would be needed to  hold  CPUs  in the  range 0 to num_cpus-1. 
           This macro provides the value that can be used for the setsize argument in the CPU_*_S() macros */
        size_t CPU_ALLOC_SIZE(int num_cpus);

        /* Free a CPU set previously allocated by CPU_ALLOC(). */
        void CPU_FREE(cpu_set_t *set);

/* API */
    /* Set the CPU affinity for a task */
    int sched_setaffinity(pid_t pid, size_t cpusetsize, cpu_set_t *mask);
    /* Get the CPU affinity for a task */
    int sched_getaffinity(pid_t pid, size_t cpusetsize, cpu_set_t *mask);

    /* set CPU affinity attribute in thread attributes object */
    int pthread_attr_setaffinity_np(pthread_attr_t *attr, size_t cpusetsize, const cpu_set_t *cpuset);
    /* get CPU affinity attribute in thread attributes object */
    int pthread_attr_getaffinity_np(const pthread_attr_t *attr, size_t cpusetsize, cpu_set_t *cpuset);

    /* set CPU affinity of a thread */
    int pthread_setaffinity_np(pthread_t thread, size_t cpusetsize, const cpu_set_t *cpuset);
    /* get CPU affinity of a thread */
    int pthread_getaffinity_np(pthread_t thread, size_t cpusetsize, cpu_set_t *cpuset);

相关的宏通常都分为2种,一种是带_S后缀的,一种不是不带_S后缀的, 从声明上看带_S后缀的宏都多出一个参数 setsize.

从功能上看他们的区别是带_S后缀的宏是用于操作动态申请的CPU set(s),所谓的动态申请其实就是使用宏 CPU_ALLOC 申请,

参数setsize 可以是通过宏 CPU_ALLOC_SIZE 获得,两者的用法详见下面的例子.

相关的API只有6个, 前2个是用来设置进程的CPU亲和性，需要注意的一点是,当这2个API的第一个参数pid为0时,表示使用调用进程的进程ID；

后4个是用来设置线程的CPU亲和性。其实sched_setaffinity()也可以用来设置线程的CPU的亲和性，也就是taskset “-a”选项中提到的TID概念。