如何將進(jìn)程與 CPU 進(jìn)行綁定

昨天在群里有朋友問：把進(jìn)程綁定到某個(gè) CPU 上運(yùn)行是怎么實(shí)現(xiàn)的。

首先，我們先來了解下將進(jìn)程與 CPU 進(jìn)行綁定的好處。

進(jìn)程綁定 CPU 的好處：在多核 CPU 結(jié)構(gòu)中，每個(gè)核心有各自的L1、L2緩存，而L3緩存是共用的。如果一個(gè)進(jìn)程在核心間來回切換，各個(gè)核心的緩存命中率就會(huì)受到影響。相反如果進(jìn)程不管如何調(diào)度，都始終可以在一個(gè)核心上執(zhí)行，那么其數(shù)據(jù)的L1、L2 緩存的命中率可以顯著提高。

所以，將進(jìn)程與 CPU 進(jìn)行綁定可以提高 CPU 緩存的命中率，從而提高性能。而進(jìn)程與 CPU 綁定被稱為：CPU 親和性。

設(shè)置進(jìn)程的 CPU 親和性

前面介紹了進(jìn)程與 CPU 綁定的好處后，現(xiàn)在來介紹一下在 Linux 系統(tǒng)下怎么將進(jìn)程與 CPU 進(jìn)行綁定的（也就是設(shè)置進(jìn)程的 CPU 親和性）。

Linux 系統(tǒng)提供了一個(gè)名為?sched_setaffinity?的系統(tǒng)調(diào)用，此系統(tǒng)調(diào)用可以設(shè)置進(jìn)程的 CPU 親和性。我們來看看?sched_setaffinity?系統(tǒng)調(diào)用的原型：

int?sched_setaffinity(pid_t?pid,?size_t?cpusetsize,?const?cpu_set_t?*mask);

下面介紹一下?sched_setaffinity?系統(tǒng)調(diào)用各個(gè)參數(shù)的作用：

pid：進(jìn)程ID，也就是要進(jìn)行綁定 CPU 的進(jìn)程ID。

cpusetsize：mask 參數(shù)所指向的 CPU 集合的大小。

mask：與進(jìn)程進(jìn)行綁定的 CPU 集合（由于一個(gè)進(jìn)程可以綁定到多個(gè) CPU 上運(yùn)行）。

參數(shù)?mask?的類型為?cpu_set_t，而?cpu_set_t?是一個(gè)位圖，位圖的每個(gè)位表示一個(gè) CPU，如下圖所示：

例如，將?cpu_set_t?的第0位設(shè)置為1，表示將進(jìn)程綁定到 CPU0 上運(yùn)行，當(dāng)然我們可以將進(jìn)程綁定到多個(gè) CPU 上運(yùn)行。

我們通過一個(gè)例子來介紹怎么通過?sched_setaffinity?系統(tǒng)調(diào)用來設(shè)置進(jìn)程的 CPU 親和性：

#define?_GNU_SOURCE
#include?
#include?
#include?
#include?
#include?
#include?

int?main(int?argc,?char?**argv)
{
????cpu_set_t?cpuset;

????CPU_ZERO(&cpuset);????//?初始化CPU集合，將?cpuset?置為空
????CPU_SET(2,?&cpuset);??//?將本進(jìn)程綁定到?CPU2?上

????//?設(shè)置進(jìn)程的?CPU?親和性
????if?(sched_setaffinity(0,?sizeof(cpuset),?&cpuset)?==?-1)?{
????????printf("Set?CPU?affinity?failed,?error:?%s
",?strerror(errno));
????????return?-1;?
????}

????return?0;
}

CPU 親和性實(shí)現(xiàn)

知道怎么設(shè)置進(jìn)程的 CPU 親和性后，現(xiàn)在我們來分析一下 Linux 內(nèi)核是怎樣實(shí)現(xiàn) CPU 親和性功能的。

本文使用的 Linux 內(nèi)核版本為 2.6.23

Linux 內(nèi)核為每個(gè) CPU 定義了一個(gè)類型為?struct rq?的?可運(yùn)行的進(jìn)程隊(duì)列，也就是說，每個(gè) CPU 都擁有一個(gè)獨(dú)立的可運(yùn)行進(jìn)程隊(duì)列。

一般來說，CPU 只會(huì)從屬于自己的可運(yùn)行進(jìn)程隊(duì)列中選擇一個(gè)進(jìn)程來運(yùn)行。也就是說，CPU0 只會(huì)從屬于 CPU0 的可運(yùn)行隊(duì)列中選擇一個(gè)進(jìn)程來運(yùn)行，而絕不會(huì)從 CPU1 的可運(yùn)行隊(duì)列中獲取。

所以，從上面的信息中可以分析出，要將進(jìn)程綁定到某個(gè) CPU 上運(yùn)行，只需要將進(jìn)程放置到其所屬的?可運(yùn)行進(jìn)程隊(duì)列?中即可。

下面我們來分析一下?sched_setaffinity?系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)，sched_setaffinity?系統(tǒng)調(diào)用的調(diào)用鏈如下：

sys_sched_setaffinity()
└→ sched_setaffinity()
   └→ set_cpus_allowed()
      └→ migrate_task()

從上面的調(diào)用鏈可以看出，sched_setaffinity?系統(tǒng)調(diào)用最終會(huì)調(diào)用?migrate_task?函數(shù)來完成進(jìn)程與 CPU 進(jìn)行綁定的工作，我們來分析一下?migrate_task?函數(shù)的實(shí)現(xiàn)：

static?int
migrate_task(struct?task_struct?*p,?int?dest_cpu,?struct?migration_req?*req)
{
????struct?rq?*rq?=?task_rq(p);

????//?情況1:
????//?如果進(jìn)程還沒有在任何運(yùn)行隊(duì)列中
????//?那么只需要將進(jìn)程的?cpu?字段設(shè)置為?dest_cpu?即可
????if?(!p->se.on_rq?&&?!task_running(rq,?p))?{
????????set_task_cpu(p,?dest_cpu);
????????return?0;
????}

????//?情況2:
????//?如果進(jìn)程已經(jīng)在某一個(gè)?CPU?的可運(yùn)行隊(duì)列中
????//?那么需要將進(jìn)程從之前的?CPU?可運(yùn)行隊(duì)列中遷移到新的?CPU?可運(yùn)行隊(duì)列中
????//?這個(gè)遷移過程由?migration_thread?內(nèi)核線程完成

????//?構(gòu)建進(jìn)程遷移請(qǐng)求
????init_completion(&req->done);
????req->task?=?p;
????req->dest_cpu?=?dest_cpu;
????list_add(&req->list,?&rq->migration_queue);

????return?1;
}

我們先來介紹一下?migrate_task?函數(shù)各個(gè)參數(shù)的意義：

p：要設(shè)置 CPU 親和性的進(jìn)程描述符。

dest_cpu：綁定的 CPU 編號(hào)。

req：進(jìn)程遷移請(qǐng)求對(duì)象（下面會(huì)介紹）。

所以，migrate_task?函數(shù)的作用就是將進(jìn)程描述符為?p?的進(jìn)程綁定到編號(hào)為?dest_cpu?的目標(biāo) CPU 上。

migrate_task?函數(shù)主要分兩種情況來將進(jìn)程綁定到某個(gè) CPU 上：

情況1：如果進(jìn)程還沒有在任何 CPU 的可運(yùn)行隊(duì)列中（不可運(yùn)行狀態(tài)），那么只需要將進(jìn)程描述符的?cpu?字段設(shè)置為?dest_cpu?即可。當(dāng)進(jìn)程變?yōu)榭蛇\(yùn)行時(shí)，會(huì)根據(jù)進(jìn)程描述符的?cpu?字段來自動(dòng)放置到對(duì)應(yīng)的 CPU 可運(yùn)行隊(duì)列中。

情況2：如果進(jìn)程已經(jīng)在某個(gè) CPU 的可運(yùn)行隊(duì)列中，那么需要將進(jìn)程從之前的 CPU 可運(yùn)行隊(duì)列中遷移到新的 CPU 可運(yùn)行隊(duì)列中。遷移過程由?migration_thread?內(nèi)核線程完成，migrate_task?函數(shù)只是構(gòu)建一個(gè)進(jìn)程遷移請(qǐng)求，并通知?migration_thread?內(nèi)核線程有新的遷移請(qǐng)求需要處理。

而進(jìn)程遷移過程由?__migrate_task?函數(shù)完成，我們來看看?__migrate_task?函數(shù)的實(shí)現(xiàn)：

static?int?
__migrate_task(struct?task_struct?*p,?int?src_cpu,?int?dest_cpu)
{
????struct?rq?*rq_dest,?*rq_src;
????int?ret?=?0,?on_rq;
????...
????rq_src?=?cpu_rq(src_cpu);????//?進(jìn)程所在的原可運(yùn)行隊(duì)列
????rq_dest?=?cpu_rq(dest_cpu);??//?進(jìn)程希望放置的目標(biāo)可運(yùn)行隊(duì)列
????...
????on_rq?=?p->se.on_rq;??//?進(jìn)程是否在可運(yùn)行隊(duì)列中（可運(yùn)行狀態(tài)）
????if?(on_rq)
????????deactivate_task(rq_src,?p,?0);??//?把進(jìn)程從原來的可運(yùn)行隊(duì)列中刪除

????set_task_cpu(p,?dest_cpu);

????if?(on_rq)?{
????????activate_task(rq_dest,?p,?0);???//?把進(jìn)程放置到目標(biāo)可運(yùn)行隊(duì)列中
????????...
????}
????...
????return?ret;
}

__migrate_task?函數(shù)主要完成以下兩個(gè)工作：

把進(jìn)程從原來的可運(yùn)行隊(duì)列中刪除。

把進(jìn)程放置到目標(biāo)可運(yùn)行隊(duì)列中。

其工作過程如下圖所示（將進(jìn)程從 CPU0 的可運(yùn)行隊(duì)列遷移到 CPU3 的可運(yùn)行隊(duì)列中）：

如上圖所示，進(jìn)程原本在 CPU0 的可運(yùn)行隊(duì)列中，但由于重新將進(jìn)程綁定到 CPU3，所以需要將進(jìn)程從 CPU0 的可運(yùn)行隊(duì)列遷移到 CPU3 的可運(yùn)行中。

遷移過程首先將進(jìn)程從 CPU0 的可運(yùn)行隊(duì)列中刪除，然后再將進(jìn)程插入到 CPU3 的可運(yùn)行隊(duì)列中。

當(dāng) CPU 要運(yùn)行進(jìn)程時(shí)，首先從它所屬的可運(yùn)行隊(duì)列中挑選一個(gè)進(jìn)程，并將此進(jìn)程調(diào)度到 CPU 中運(yùn)行。

總結(jié)

從上面的分析可知，其實(shí)將進(jìn)程綁定到某個(gè) CPU 只是將進(jìn)程放置到 CPU 的可運(yùn)行隊(duì)列中。

由于每個(gè) CPU 都有一個(gè)可運(yùn)行隊(duì)列，所以就有可能會(huì)出現(xiàn) CPU 間可運(yùn)行隊(duì)列負(fù)載不均衡問題。如 CPU0 可運(yùn)行隊(duì)列中的進(jìn)程比 CPU1 可運(yùn)行隊(duì)列多非常多，從而導(dǎo)致 CPU0 的負(fù)載非常高，而 CPU1 負(fù)載非常低的情況。

當(dāng)出現(xiàn)上述情況時(shí)，就需要對(duì) CPU 間的可運(yùn)行隊(duì)列進(jìn)行重平衡操作，有興趣的可以自行閱讀源碼或參考相關(guān)資料。

編輯：黃飛

?