操作系统底层技术——CPU亲和性

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这是操作系统底层技术第二篇，前一篇是《Codegen技术学习》

CPU亲和性

简单地说，CPU亲和性（affinity）就是进程要在某个给定的CPU上尽量长时间地运行而不被迁移到其他处理器的倾向性。

Linux内核进程调度器天生就具有被称为软CPU亲和性（affinity）的特性，这意味着进程通常不会在处理器之间频繁迁移。这种状态正是我们希望的，因为进程迁移的频率小就意味着产生的负载小。2.6版本的Linux内核还包含了一种机制，它让开发人员可以编程实现硬CPU亲和性（affinity）。这意味着应用程序可以显式地指定进程在哪个（或哪些）处理器上运行。

原理

什么是Linux内核硬亲和性（affinity）？在Linux内核中，所有的进程都有一个相关的数据结构，称为task_struct。这个结构非常重要，原因有很多；其中与亲和性（affinity）相关度最高的是cpus_allowed位掩码。这个位掩码由n位组成，与系统中的n个逻辑处理器一一对应。具有4个物理CPU的系统可以有4位。如果这些CPU都启用了超线程，那么这个系统就有一个8位的位掩码。如果为给定的进程设置了给定的位，那么这个进程就可以在相关的CPU上运行。因此，如果一个进程可以在任何CPU上运行，并且能够根据需要在处理器之间进行迁移，那么位掩码就全是1。实际上，这就是Linux中进程的缺省状态。

Linux内核API提供了一些方法，让用户可以修改位掩码或查看当前的位掩码：

   sched_set_affinity()（用来修改位掩码）
   sched_get_affinity()（用来查看当前的位掩码）

注意，cpu_affinity会被传递给子线程，因此应该适当地调用sched_set_affinity。

为什么应该使用硬亲和性（affinity）？通常Linux内核都可以很好地对进程进行调度，在应该运行的地方运行进程（这就是说，在可用的处理器上运行并获得很好的整体性能）。内核包含了一些用来检测CPU之间任务负载迁移的算法，可以启用进程迁移来降低繁忙的处理器的压力。

一般情况下，在应用程序中只需使用缺省的调度器行为。然而，您可能会希望修改这些缺省行为以实现性能的优化。让我们来看一下使用硬亲和性（affinity）的2个原因。

原因1.充分利用cpu cache

如果一个给定的进程迁移到其他地方去了，那么它就失去了利用CPU缓存的优势。实际上，如果正在使用的CPU需要为自己缓存一些特殊的数据，那么所有其他CPU都会使这些数据在自己的缓存中失效。

因此，如果有多个线程都需要相同的数据，那么将这些线程绑定到一个特定的CPU上是非常有意义的，这样就确保它们可以访问相同的缓存数据（或者至少可以提高缓存的命中率）。否则，这些线程可能会在不同的CPU上执行，这样会频繁地使其他缓存项失效。

原因2保障时间敏感的、决定性的进程的cpu利用

我们对CPU亲和性（affinity）感兴趣的最后一个原因是实时（对时间敏感的）进程。例如，您可能会希望使用硬亲和性（affinity）来指定一个8路主机上的某个处理器，而同时允许其他7个处理器处理所有普通的系统调度。这种做法确保长时间运行、对时间敏感的应用程序可以得到运行，同时可以允许其他应用程序独占其余的计算资源。

应用场景

使用cpu亲和技术会显著提高cpu利用率，但是同时带来的副作用是丧失程序的扩展性，应用程序需要单独设置。这项技术在一些需要高性能，软硬结合的场景下非常有效。

云的核心技术就是虚拟化技术，首先是虚拟化技术，Cpu亲和技术在云上因此失效。