Linux性能优化（十五）——CPU绑定

一、孤立CPU

1、孤立CPU简介

针对CPU密集型的任务，CPU负载较高，推荐设置CPU Affinity，以提高任务执行效率，避免CPU进行上下文切换，提高CPU Cache命中率。
默认情况下，Linux内核调度器可以使用任意CPU核心，如果特定任务（进程/线程）需要独占一个CPU核心并且不想让其它任务（进程/线程）使用时，可以把指定CPU孤立出来，不让其它进程使用。

2、孤立CPU的特点

孤立CPU可以有效地提高孤立CPU上任务运行的实时性，在保证孤立CPU上任务运行的同时会减少了其它任务可以运行的CPU资源，因此需要对计算机CPU资源进行规划。

3、孤立CPU设置

Linux Kernel中isolcpus启动参数用于在SMP均衡调度算法中将一个或多个CPU孤立出来，通过CPU Affinity设置将指定进程置于孤立CPU运行。
isolcpus= cpu_number [, cpu_number ,...]
（1）修改grub配置文件
默认grub配置为/etc/default/grub，GRUB_CMDLINE_LINUX值中加入isolcpus=11,12,13,14,15，所有CPU核心必须用逗号进行分隔，不支持区域范围。
GRUB_CMDLINE_LINUX="isolcpus=1,2 crashkernel=auto rd.lvm.lv=rhel/root rd.lvm.lv=rhel/swap rhgb quiet"
（2）更新grub
重新生成grub引导文件/boot/grub/grub.cfg，重启系统生效。

update-grub
update-grub2
grub-mkconfig -o /boot/grub/grub.cfg

一旦Linux Kernel使用isolcpus参数启动，Linux Kernel任务均衡调度器不会再将进程调度给指定CPU核心，用户通常需要使用taskset或cset命令将进程绑定到CPU核心。

二、CPU绑定简介

1、CPU核心简介

超线程技术(Hyper-Threading)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，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CPU的运行效率。
物理CPU是计算机主板上安装的CPU。
逻辑CPU是一颗物理CPU上的物理CPU核心，通常一颗物理CPU有多颗物理内核，即有多个逻辑CPU。如果支持Intel超线程技术(HT)，可以在逻辑CPU上再分一倍数量的CPU Core。
cat /proc/cpuinfo|grep "physical id"|sort -u|wc -l
查看物理CPU个数
cat /proc/cpuinfo|grep "cpu cores"|uniq
查看每个物理CPU中core的个数(即核数)
cat /proc/cpuinfo|grep "processor"|wc -l
查看逻辑CPU的个数
cat /proc/cpuinfo|grep "name"|cut -f2 -d:|uniq
查看CPU的名称型号
ps -eo pid,args,psr
查看进程运行的逻辑CPU

2、CPU绑定简介

CPU绑定是对进程或线程设置相应的CPU Affinity，确保进程或线程只会在设置有相应标志位的CPU上运行，进而提高应用程序对CPU的使用效率。如果应用可以在多个CPU上运行，操作系统会在CPU之间频繁切换应用，引起CPU缓存失效，降低缓存的命中率，导致CPU使用效率下降。使用CPU绑定技术可以在一定程度上会避免CPU Cache失效，提升系统性能。
CPU affinity是一种调度属性(scheduler property)，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设置让指定的进程运行在绑定的CPU上，而不会在其它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。
Linux内核进程调度器天生具有软CPU亲和性（affinity）特性，进程通常不会在处理器之间频繁迁移。
查看所有进程CPU分配情况
ps -eo pid,cmd,psr
查看进程的所有线程的CPU分配情况
ps -To 'pid,lwp,psr,cmd' -p [PID]

3、CPU绑定的特点

将进程/线程与CPU绑定，可以显著提高CPU Cache命中率，从而减少内存访问损耗，提高应用性能。我觉得在NUMA架构下，这个操作对系统运行速度的提升有较大的意义，而在SMP架构下，这个提升可能就比较小。这主要是因为两者对于cache、总线这些资源的分配使用方式不同造成的，NUMA架构下，每个CPU有自己的一套资源体系；SMP架构下，每个核心还是需要共享这些资源的。
每个CPU核运行一个进程的时候，由于每个进程的资源都独立，所以CPU核心之间切换的时候无需考虑上下文；每个CPU核运行一个线程的时候，有时线程之间需要共享资源，所以共享资源必须从CPU的一个核心被复制到另外一个核心，造成额外开销。

4、taskset绑定进程

yum install util-linux
安装taskset工具
taskset [options] [mask] -p pid
查看进程的CPU Affinity，使用-p选项指定PID，默认打印十六进制数，如果指定-cp选项打印CPU核列表。3的二进制形式是0011，对应-cp打印0和1，表示进程只能运行在CPU的第0个核和第1个核。
taskset -c -p pid
查看指定进程的CPU Affinity

taskset -p mask pid
taskset -c [CPU NUMBER] -p PID

设置指定进程的CPU Affinity，对于孤立CPU，只有第一个CPU有效。
使用11,12,13,14,15号CPU运行进程

taskset -c 11,12,13,14,15 python xx.py
taskset -c 11-15 python xx.py

Docker容器中，孤立CPU仍然可以被使用；创建Docker容器时可以通过参数--cpuset-cpus指定容器只能使用哪些CPU，实现Docker容器内孤立CPU。

5、cset绑定进程

cset set --cpu CPU CPUSET NAME
定义CPU核心集合，对于独立CPU，只有第一个CPU核心有效。
cset proc --move --pid=PID,...,PID --toset=CPUSET NAME
移动多个进程到指定CPU集合

三、进程绑定CPU

1、系统调用API

#define _GNU_SOURCE        
#include <sched.h>
int sched_setaffinity(pid_t pid, size_t cpusetsize, cpu_set_t *mask);
int sched_getaffinity(pid_t pid, size_t cpusetsize, cpu_set_t *mask);

参数：
pid：进程号，如果pid值为0，则表示指定当前进程。
cpusetsize：mask参数所指定数的长度，通常设定为sizeof(cpu_set_t)。
mask：CPU掩码

2、编程实现

#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/sysinfo.h>
#include<unistd.h>

#define __USE_GNU
#include<sched.h>
#include<ctype.h>
#include<string.h>
#include<pthread.h>

#define THREAD_MAX_NUM 10  //1个CPU内的最多进程数
int CPU_NUM = 0;  //cpu中核数
int CPU = 3; // CPU编号

void* threadFun(void* arg)
{
    cpu_set_t mask;  //CPU核的集合

    CPU_ZERO(&mask);
    // set CPU MASK
    CPU_SET(CPU, &mask);
    //设置当前进程的CPU Affinity
    if (sched_setaffinity(0, sizeof(mask), &mask) == -1)
    {
        printf("warning: could not set CPU affinity, continuing...\n");
    }
    cpu_set_t affinity;   //获取在集合中的CPU
    CPU_ZERO(&affinity);
    // 获取当前进程的CPU Affinity
    if (sched_getaffinity(0, sizeof(affinity), &affinity) == -1)
    {
        printf("warning: cound not get Process affinity, continuing...\n");
    }
    int i = 0;
    for (i = 0; i < CPU_NUM; i++)
    {
        if (CPU_ISSET(i, &affinity))//判断线程与哪个CPU有亲和力
        {
            printf("this thread %d is running processor : %d\n", *((int*)arg), i);
        }
    }

    return NULL;
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    int tid[THREAD_MAX_NUM];
    pthread_t thread[THREAD_MAX_NUM];
    // 获取核数
    CPU_NUM = sysconf(_SC_NPROCESSORS_CONF);
    printf("System has %i processor(s). \n", CPU_NUM);
    int i = 0;
    for(i=0;i<THREAD_MAX_NUM;i++)
    {
        tid[i] = i;
        pthread_create(&thread[i],NULL,threadFun, &tid[i]);
    }
    for(i=0; i< THREAD_MAX_NUM; i++)
    {
        pthread_join(thread[i],NULL);
    }
    return 0;
}

编译：
gcc -o test test.c -pthread
运行结果：

System has 4 processor(s). 
this thread 1 is running processor : 3
this thread 0 is running processor : 3
this thread 4 is running processor : 3
this thread 9 is running processor : 3
this thread 7 is running processor : 3
this thread 5 is running processor : 3
this thread 6 is running processor : 3
this thread 8 is running processor : 3
this thread 3 is running processor : 3
this thread 2 is running processor : 3

3、taskset绑定进程至CPU

（1）绑定进程至指定CPU

taskset -pc CPU_NUMBER  PID
taskset -p PID

查看进程的CPU Affinity
（2）进程启动时绑定至CPU
taskset -c CPU_NUMBER PROGRAM&
启动PROGRAM程序后台运行，绑定进程至CPU_NUMBER核心，
taskset -p PID
查看进程的CPU Affinity

四、线程绑定CPU

1、系统调用API

#define _GNU_SOURCE            
#include <pthread.h>
int pthread_setaffinity_np(pthread_t thread, size_t cpusetsize, const cpu_set_t *cpuset);
int pthread_getaffinity_np(pthread_t thread, size_t cpusetsize, cpu_set_t *cpuset)

参数：
pthead：线程对象
cpusetsize：mask参数所指定数的长度，通常设定为sizeof(cpu_set_t)。
mask：CPU掩码

2、编程实现

#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/sysinfo.h>
#include<unistd.h>

#define __USE_GNU
#include<sched.h>
#include<ctype.h>
#include<string.h>
#include<pthread.h>

#define THREAD_MAX_NUM 10  //1个CPU内的最多进程数
int CPU_NUM = 0;  //cpu中核数
int CPU = 3; // CPU编号

void* threadFun(void* arg)
{
    cpu_set_t affinity;   //获取在集合中的CPU
    CPU_ZERO(&affinity);
    pthread_t thread = pthread_self();
    // 获取当前进程的CPU Affinity
    if (pthread_getaffinity_np(thread, sizeof(affinity), &affinity) == -1)
    {
        printf("warning: cound not get Process affinity, continuing...\n");
    }
    int i = 0;
    for (i = 0; i < CPU_NUM; i++)
    {
        if (CPU_ISSET(i, &affinity))//判断线程与哪个CPU有亲和力
        {
            printf("this thread %d is running processor : %d\n", *((int*)arg), i);
        }
    }

    return NULL;
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    int tid[THREAD_MAX_NUM];
    pthread_t thread[THREAD_MAX_NUM];
    // 获取核数
    CPU_NUM = sysconf(_SC_NPROCESSORS_CONF);
    printf("System has %i processor(s). \n", CPU_NUM);
    cpu_set_t mask;  //CPU核的集合

    CPU_ZERO(&mask);
    // set CPU MASK
    CPU_SET(CPU, &mask);

    int i = 0;
    for(i=0;i<THREAD_MAX_NUM;i++)
    {
        tid[i] = i;
        pthread_create(&thread[i],NULL,threadFun, &tid[i]);
        //设置当前进程的CPU Affinity
        if (pthread_setaffinity_np(thread[i], sizeof(mask), &mask) != 0)
        {
            printf("warning: could not set CPU affinity, continuing...\n");
        }
    }
    for(i=0; i< THREAD_MAX_NUM; i++)
    {
        pthread_join(thread[i],NULL);
    }
    return 0;
}

编译：
gcc -o test test.c -pthread
运行结果：

System has 4 processor(s). 
this thread 0 is running processor : 3
this thread 1 is running processor : 3
this thread 2 is running processor : 3
this thread 3 is running processor : 3
this thread 5 is running processor : 3
this thread 4 is running processor : 3
this thread 6 is running processor : 3
this thread 9 is running processor : 3
this thread 7 is running processor : 3
this thread 8 is running processor : 3