在使用Linux系统时，我们经常会遇到一些CPU密集型任务，如数据处理、编译程序等，这些任务需要大量的计算资源来完成。然而，如果我们的系统硬件配置较低，就会导致任务执行速度缓慢，严重影响我们的工作效率。针对这个问题，本文将介绍一种名为“CPU绑定”的技术，它可以将进程绑定到特定的CPU核心上，从而提高进程的执行效率。
对于普通的应用，操作系统的默认调度机制是没有问题的。但是，当某个进程需要较高的运行效率时，就有必要考虑将其绑定到单独的核上运行，以减小由于在不同的核上调度造成的开销。
把某个进程/线程绑定到特定的cpu核上后，该进程就会一直在此核上运行，不会再被操作系统调度到其他核上。但绑定的这个核上还是可能会被调度运行其他应用程序的。
操作系统对多核cpu的调度
目前windows和linux都支持对多核cpu进行调度管理。
软件开发在多核环境下的核心是多线程开发。这个多线程不仅代表了软件实现上多线程，要求在硬件上也采用多线程技术。
多核操作系统的关注点在于进程的分配和调度。进程的分配将进程分配到合理的物理核上，因为不同的核在共享性和历史运行情况都是不同的。有的物理核能够共享二级cache，而有的却是独立的。如果将有数据共享的进程分配给有共享二级cache的核上，将大大提升性能；反之，就有可能影响性能。
进程调度会涉及实时性、负载均衡等问题，目前研究的热点问题主要集中在以下方面：
多进程和多线程在cpu核上运行时情况如下：
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，所以这些资源必须从 CPU 的一个核心被复制到另外一个核心，这会造成额外的开销
绑定进程到cpu核上运行
查看cpu有几个核
使用cat /proc/cpuinfo查看cpu信息，如下两个信息：
processor，指明第几个cpu处理器
cpu cores，指明每个处理器的核心数
也可以使用系统调用sysconf获取cpu核心数：
#include int sysconf(_SC_NPROCESSORS_CONF);/* 返回系统可以使用的核数，但是其值会包括系统中禁用的核的数目，因 此该值并不代表当前系统中可用的核数 */ int sysconf(_SC_NPROCESSORS_ONLN);/* 返回值真正的代表了系统当前可用的核数 */ /* 以下两个函数与上述类似 */ #include int get_nprocs_conf (void);/* 可用核数 */ int get_nprocs (void);/* 真正的反映了当前可用核数 */
我使用的是虚拟机，有2个处理器，每个处理器只有一个核，等同于一个处理器两个核心。
使用taskset指令
获取进程pid
-> % ps PID TTY TIME CMD 2683 pts/1 00:00:00 zsh 2726 pts/1 00:00:00 dgram_servr 2930 pts/1 00:00:00 ps
查看进程当前运行在哪个cpu上
-> % taskset -p 2726 pid 2726's current affinity mask: 3
显示的十进制数字3转换为2进制为最低两个是1，每个1对应一个cpu，所以进程运行在2个cpu上。
指定进程运行在cpu1上
-> % taskset -pc 1 2726 pid 2726's current affinity list: 0,1 pid 2726's new affinity list: 1
注意，cpu的标号是从0开始的，所以cpu1表示第二个cpu（第一个cpu的标号是0）。
至此，就把应用程序绑定到了cpu1上运行，查看如下：
-> % taskset -p 2726 pid 2726's current affinity mask: 2
启动程序时绑定cpu
#启动时绑定到第二个cpu -> % taskset -c 1 ./dgram_servr& [1] 3011 #查看确认绑定情况 -> % taskset -p 3011 pid 3011's current affinity mask: 2
使用sched_setaffinity系统调用
sched_setaffinity可以将某个进程绑定到一个特定的CPU。
#define _GNU_SOURCE /* See feature_test_macros(7) */ #include /* 设置进程号为pid的进程运行在mask所设定的CPU上 * 第二个参数cpusetsize是mask所指定的数的长度 * 通常设定为sizeof(cpu_set_t) * 如果pid的值为0,则表示指定的是当前进程 */ 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);/* 获得pid所指示的进程的CPU位掩码,并将该掩码返回到mask所指向的结构中 */
实例
#include
#include
#include
#include
#include
#define __USE_GNU
#include
#include
#include
#include
#define THREAD_MAX_NUM 200 //1个CPU内的最多进程数
int num=0; //cpu中核数
void* threadFun(void* arg) //arg 传递线程标号（自己定义）
{
cpu_set_t mask; //CPU核的集合
cpu_set_t get; //获取在集合中的CPU
int *a = (int *)arg;
int i;
printf("the thread is:%d\n",*a); //显示是第几个线程
CPU_ZERO(&mask); //置空
CPU_SET(*a,&mask); //设置亲和力值
if (sched_setaffinity(0, sizeof(mask), &mask) == -1)//设置线程CPU亲和力
{
printf("warning: could not set CPU affinity, continuing...\n");
}
CPU_ZERO(&get);
if (sched_getaffinity(0, sizeof(get), &get) == -1)//获取线程CPU亲和力
{
printf("warning: cound not get thread affinity, continuing...\n");
}
for (i = 0; i if (CPU_ISSET(i, &get))//判断线程与哪个CPU有亲和力
{
printf("this thread %d is running processor : %d\n", i,i);
}
}
return NULL;
}
int main(int argc, char* argv[])
{
int tid[THREAD_MAX_NUM];
int i;
pthread_t thread[THREAD_MAX_NUM];
num = sysconf(_SC_NPROCESSORS_CONF); //获取核数
if (num > THREAD_MAX_NUM) {
printf("num of cores[%d] is bigger than THREAD_MAX_NUM[%d]!\n", num, THREAD_MAX_NUM);
return -1;
}
printf("system has %i processor(s). \n", num);
for(i=0;ifor(i=0; ireturn 0;
}
运行结果
-> % ./a.out system has 2 processor(s). the thread is:0 the thread is:1 this thread 0 is running processor : 0 this thread 1 is running processor : 1
绑定线程到cpu核上运行
绑定线程到cpu核上使用pthread_setaffinity_np函数，其原型定义如下：
#define _GNU_SOURCE /* See feature_test_macros(7) */ #include 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); Compile and link with -pthread.
各参数的意义与sched_setaffinity相似。
实例
#define _GNU_SOURCE
#include
#include
#include
#include
#define handle_error_en(en, msg) \
do { errno = en; perror(msg);
exit(EXIT_FAILURE); } while (0)
int
main(int argc, char *argv[])
{
int s, j;
cpu_set_t cpuset;
pthread_t thread;
thread = pthread_self();
/* Set affinity mask to include CPUs 0 to 7 */
CPU_ZERO(&cpuset);
for (j = 0; j if (s != 0)
handle_error_en(s, "pthread_setaffinity_np");
/* Check the actual affinity mask assigned to the thread */
s = pthread_getaffinity_np(thread, sizeof(cpu_set_t), &cpuset);
if (s != 0)
handle_error_en(s, "pthread_getaffinity_np");
printf("Set returned by pthread_getaffinity_np() contained:\n");
for (j = 0; j if (CPU_ISSET(j, &cpuset))
printf(" CPU %d\n", j);
exit(EXIT_SUCCESS);
}
运行结果
-> % ./a.out Set returned by pthread_getaffinity_np() contained: CPU 0 CPU 1
通过本文的介绍，我们了解了如何使用CPU绑定技术将进程绑定到特定的CPU核心，从而显著提高了进程的执行效率。在实际应用中，我们可以根据不同的场景和需求来选择合适的CPU绑定方案，从而达到最佳的性能提升效果。希望本文能够帮助读者更好地理解和应用CPU绑定技术，并在Linux系统的使用过程中取得更高的工作效率。
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