Linux cpu 亲缘性 绑核

前言

https://www.cnblogs.com/studywithallofyou/p/17435497.html
https://www.cnblogs.com/studywithallofyou/p/16695550.html
上面的文章提到了一些相关的知识，本篇单独针对CPU进行详细讲解。

CPU构造

CPU Central Processing Unit CPU Package

这个一般指的是整个CPU，包括：封装，运行单元，控制单元，缓存等。

比如下面Intel 80486DX2正反面

正面是一个金属壳，用于散热
反面是很多针脚，用于传递数据

CPU Socket CPU插槽

指主板上有几个可以插CPU的地方，比如下面，就有两个

Non-uniform memory access NUMA Node

为了处理多CPU访问内存的问题，提出了NUMA架构，就是把不同的CPU做区分，分配不同的内存通道。Node访问自己所属的内存（也叫local memory）速度比较快，访问另一个Node的内存（也叫做remote memory）相对就慢一些。

正常情况NUMA Node与CPU Socket数量是一致的，一个插槽上插一个CPU，一个CPU分配一个NUMA Node。不过也有不一致的情况。

UMA

计算机一开始的架构是UMA：多个Processor使用同一个bus总线访问内存，大家是平等的。后来随着CPU核心增多，总线成为了瓶颈，就把Processor分组，各自访问一块内存，变成了NUMA（非一致性内存访问）。

NUMA与MySQL

Linux默认会启用NUMA，让程序尽可能申请local内存，如果超过了local内存，就会频繁的swap。

如果是占用内存比较大的程序，需要确保开启NUMA后，local内存是否够用，不然会导致性能抖动或者下降。

MySQL使用内存大于local memory的解决方案：

• 设置绑定策略，让MySQL可以使用所有内存
• 配置MySQL对NUMA的支持

Processor Die CPU Die 处理器芯片

Die就是指从晶圆上切下来的一个个小方块，后续通过光刻机，刻上晶体管，形成core。

一个Die上可以拥有多个core。

Processor core

Processor core是一个独立的单元，可以与其他core并行运算。

Integrated Circuit IC 集成电路

一个或多个Die加上一些缓存、集成显卡组成一块集成电路

Printed Circuit Board PCB 印刷电路板

集成电路被安装在印刷电路版上。印刷电路板和外壳等组成一块CPU。

如下图，这是一块CPU，外面绿色的是印刷电路板，中间两个突起的方块是Die，一个Die有两个Core，那么这个CPU就是双核四核心（我们经常说的）。

一个Die打开如下图，中间分开，上下对称，用晶体管实现了两个core

总结

由于CPU的设计，对不同资源做了区分，所以在高性能程序开发中，需要配置，保证最大化利用系统资源。

具体使用思路：把需要高性能运行的进程绑定到一个（一组core）上，把其他进程绑定到其他core上，避免其他进程在高性能进程占用的core上运行，使得高性能进程绑定的core只运行一个进程，避免其他进程打扰，避免缓存丢失，避免上下文切换，提高性能。

https://en.wikipedia.org/wiki/Central_processing_unit
https://www.cc.ntu.edu.tw/chinese/epaper/0015/20101220_1508.htm
https://superuser.com/questions/324284/what-is-meant-by-the-terms-cpu-core-die-and-package
https://en.wikipedia.org/wiki/Die_(integrated_circuit)

查看cpu信息

lscpu
Architecture:          x86_64
CPU op-mode(s):        32-bit, 64-bit
Byte Order:            Little Endian
CPU(s):                12 core个数
On-line CPU(s) list:   0-11 在线core个数
Thread(s) per core:    1 每个物理core可以有几个thread。是否可以多个任务并发进行。逻辑核。用指令把一个物理core再分成两个或多个并发运行，提高使用率。
Core(s) per socket:    6 每个插槽上的cpu有几个core
Socket(s):             2 有几个插槽，主板上插了几块cpu
NUMA node(s):          2 有几个node，一般一个socket分成一个node
Vendor ID:             GenuineIntel
CPU family:            6
Model:                 45
Stepping:              7
CPU MHz:               1200.000
BogoMIPS:              3999.45
Virtualization:        VT-x
L1d cache:             32K
L1i cache:             32K
L2 cache:              256K
L3 cache:              15360K
NUMA node0 CPU(s):     0-5 每个node上core编号
NUMA node1 CPU(s):     6-11

查看numa内存分配

numactl --hardware
available: 2 nodes (0-1) 两个numa node，0和1
node 0 cpus: 0 1 2 3 4 5 node0包含0 1 2 3 4 5core
node 0 size: 8162 MB node0 local内存大小
node 0 free: 1855 MB
node 1 cpus: 6 7 8 9 10 11
node 1 size: 8192 MB
node 1 free: 4611 MB
node distances: node和local内存/remote内存距离关系
node   0   1  
  0:  10  20  node0访问node0的内存是10，访问node1的内存是20（性能下降一倍）
  1:  20  10  node1访问node0的内存是20，访问node1的内存是10

libc

获取系统CPU核心数

sysconf

       #include .h>

       long sysconf(int name);
        - _SC_NPROCESSORS_CONF
              The number of processors configured.  See also
              get_nprocs_conf(3).

        - _SC_NPROCESSORS_ONLN
              The number of processors currently online (available).
              See also get_nprocs(3).

一个是获取全部的CPU核心数，一个是获取可用的（online）核心数。也有专门的APIget_nprocs_conf和get_nprocs。
https://man7.org/linux/man-pages/man3/sysconf.3.html

get_nprocs get_nprocs_conf

       #include 

       int get_nprocs(void);
       int get_nprocs_conf(void);

https://man7.org/linux/man-pages/man3/get_nprocs_conf.3.html

mask CPU核心表示方法

linux用位掩码（bitmask）表示每个core
0001 第一个core[core0]（core编号从0开始）
0011 第一个和第二个core[core0 core1]
1000 0001 第一个和第八个core[core0 core7]

动态申请CPU core个数

cpu_set_t *CPU_ALLOC(int num_cpus);
    Allocate a CPU set large enough to hold CPUs in the range 0 to num_cpus-1. 
    申请保存指定cpu core个数（num_cpus）的mask空间。

size_t CPU_ALLOC_SIZE(int num_cpus);
    Return the size in bytes of the CPU set that would be needed to hold CPUs in the range 0 to num_cpus-1. This macro provides the value that can be used for the setsize argument in the CPU_*_S() macros 
    计算指定cpu core个数（num_cpus）的mask的长度。

void CPU_FREE(cpu_set_t *set);
    Free a CPU set previously allocated by CPU_ALLOC().

保存core mask的结构体cpu_set_t默认是unsigned long，有128个，可以表示1024个core。正常情况足够了，如果core大于1024，需要动态申请。CPU_ALLOC与CPU_ALLOC_SIZE中的参数num_cpus必须一致，不然在后续使用中不匹配，导致报错。

获取和设置cpu亲缘性

#include 

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);

如果pid为0，就表示当前进程。

获取cpu亲缘性

    cpu_set_t cpuset;
    CPU_ZERO(&cpuset);
    sched_getaffinity(0, sizeof(cpuset), &cpuset);

cpuset中保存了当前进程使用的cpu core。

设置cpu亲缘性

    cpu_set_t set;
    CPU_ZERO(&set);
    
    //把core0和core2绑定到当前进程
    CPU_SET(0, &set);
    CPU_SET(2, &set);
    sched_setaffinity(0, sizeof(set), &set);

https://man7.org/linux/man-pages/man2/sched_setaffinity.2.html
https://man7.org/linux/man-pages/man3/CPU_COUNT.3.html
https://linux.die.net/man/3/cpu_set
https://linux.die.net/man/7/cpuset

taskset

除了在代码中使用libc api设置cpu亲缘性，也可以使用taskset进行设置。taskset底层还是调用的libc的api。

       #启动一个程序，并且绑定到mask指定的core上
       taskset [options] mask command [argument...]
       
       #不加mask，表示获取pid指定程序的mask；增加mask，表示设置pid指定程序的mask
       taskset [options] -p [mask] pid

       #mask，如果不特殊说明，都是16进制，--cpu-list按照core编号指定，如下都是正确的
       0x00000001
           is processor #0,

       0x00000003
           is processors #0 and #1,

       FFFFFFFF
           is processors #0 through #31,

       0x32
           is processors #1, #4, and #5,

       --cpu-list 0-2,6
           is processors #0, #1, #2, and #6.

       --cpu-list 0-10:2
           is processors #0, #2, #4, #6, #8 and #10. The suffix ":N"
           specifies stride in the range, for example 0-10:3 is
           interpreted as 0,3,6,9 list.

获取mask

taskset -p 15948
pid 15948's current affinity mask: 2

为启动进程设置mask

taskset -c 0 ls

为指定进程id设置mask

taskset -pc 0,1,2 15948

https://www.man7.org/linux/man-pages/man1/taskset.1.html