作業系統底層技術——CPU親和性

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這是作業系統底層技術第二篇，前一篇是《Codegen技術學習》

CPU親和性

簡單地說，CPU親和性（affinity）就是程序要在某個給定的CPU上盡量長時間地運作而不被遷移到其他處理器的傾向性。

Linux核心程序排程器天生就具有被稱為軟CPU親和性（affinity）的特性，這意味着程序通常不會在處理器之間頻繁遷移。這種狀态正是我們希望的，因為程序遷移的頻率小就意味着産生的負載小。2.6版本的Linux核心還包含了一種機制，它讓開發人員可以程式設計實作硬CPU親和性（affinity）。這意味着應用程式可以顯式地指定程序在哪個（或哪些）處理器上運作。

原理

什麼是Linux核心硬親和性（affinity）？在Linux核心中，所有的程序都有一個相關的資料結構，稱為task_struct。這個結構非常重要，原因有很多；其中與親和性（affinity）相關度最高的是cpus_allowed位掩碼。這個位掩碼由n位組成，與系統中的n個邏輯處理器一一對應。具有4個實體CPU的系統可以有4位。如果這些CPU都啟用了超線程，那麼這個系統就有一個8位的位掩碼。如果為給定的程序設定了給定的位，那麼這個程序就可以在相關的CPU上運作。是以，如果一個程序可以在任何CPU上運作，并且能夠根據需要在處理器之間進行遷移，那麼位掩碼就全是1。實際上，這就是Linux中程序的預設狀态。

Linux核心API提供了一些方法，讓使用者可以修改位掩碼或檢視目前的位掩碼：

sched_set_affinity()（用來修改位掩碼）

sched_get_affinity()（用來檢視目前的位掩碼）

為什麼應該使用硬親和性（affinity）？通常Linux核心都可以很好地對程序進行排程，在應該運作的地方運作程序（這就是說，在可用的處理器上運作并獲得很好的整體性能）。核心包含了一些用來檢測CPU之間任務負載遷移的算法，可以啟用程序遷移來降低繁忙的處理器的壓力。

一般情況下，在應用程式中隻需使用預設的排程器行為。然而，您可能會希望修改這些預設行為以實作性能的優化。讓我們來看一下使用硬親和性（affinity）的2個原因。

原因1.充分利用cpu cache

如果一個給定的程序遷移到其他地方去了，那麼它就失去了利用CPU緩存的優勢。實際上，如果正在使用的CPU需要為自己緩存一些特殊的資料，那麼所有其他CPU都會使這些資料在自己的緩存中失效。

是以，如果有多個線程都需要相同的資料，那麼将這些線程綁定到一個特定的CPU上是非常有意義的，這樣就確定它們可以通路相同的緩存資料（或者至少可以提高緩存的命中率）。否則，這些線程可能會在不同的CPU上執行，這樣會頻繁地使其他緩存項失效。

原因2保障時間敏感的、決定性的程序的cpu利用

我們對CPU親和性（affinity）感興趣的最後一個原因是實時（對時間敏感的）程序。例如，您可能會希望使用硬親和性（affinity）來指定一個8路主機上的某個處理器，而同時允許其他7個處理器處理所有普通的系統排程。這種做法確定長時間運作、對時間敏感的應用程式可以得到運作，同時可以允許其他應用程式獨占其餘的計算資源。

應用場景

使用cpu親和技術會顯著提高cpu使用率，但是同時帶來的副作用是喪失程式的擴充性，應用程式需要單獨設定。這項技術在一些需要高性能，軟硬結合的場景下非常有效。

雲的核心技術就是虛拟化技術，首先是虛拟化技術，Cpu親和技術在雲上是以失效。