如何将进程与 CPU 进行绑定

昨天在群里有朋友问：把进程绑定到某个 CPU 上运行是怎么实现的。

首先，我们先来了解下将进程与 CPU 进行绑定的好处。

进程绑定 CPU 的好处：在多核 CPU 结构中，每个核心有各自的L1、L2缓存，而L3缓存是共用的。如果一个进程在核心间来回切换，各个核心的缓存命中率就会受到影响。相反如果进程不管如何调度，都始终可以在一个核心上执行，那么其数据的L1、L2 缓存的命中率可以显著提高。

所以，将进程与 CPU 进行绑定可以提高 CPU 缓存的命中率，从而提高性能。而进程与 CPU 绑定被称为：CPU 亲和性。

设置进程的 CPU 亲和性

前面介绍了进程与 CPU 绑定的好处后，现在来介绍一下在 Linux 系统下怎么将进程与 CPU 进行绑定的（也就是设置进程的 CPU 亲和性）。

Linux 系统提供了一个名为 sched_setaffinity 的系统调用，此系统调用可以设置进程的 CPU 亲和性。我们来看看 sched_setaffinity 系统调用的原型：

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

下面介绍一下 sched_setaffinity 系统调用各个参数的作用：

pid：进程ID，也就是要进行绑定 CPU 的进程ID。

cpusetsize：mask 参数所指向的 CPU 集合的大小。

mask：与进程进行绑定的 CPU 集合（由于一个进程可以绑定到多个 CPU 上运行）。

参数 mask 的类型为 cpu_set_t，而 cpu_set_t 是一个位图，位图的每个位表示一个 CPU，如下图所示：

例如，将 cpu_set_t 的第0位设置为1，表示将进程绑定到 CPU0 上运行，当然我们可以将进程绑定到多个 CPU 上运行。

我们通过一个例子来介绍怎么通过 sched_setaffinity 系统调用来设置进程的 CPU 亲和性：

#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，将 cpuset 置为空
    CPU_SET(2, &cpuset);  // 将本进程绑定到 CPU2 上

    // 设置进程的 CPU 亲和性
    if (sched_setaffinity(0, sizeof(cpuset), &cpuset) == -1) {
        printf("Set CPU affinity failed, error: %s
", strerror(errno));
        return -1; 
    }

    return 0;
}

CPU 亲和性实现

知道怎么设置进程的 CPU 亲和性后，现在我们来分析一下 Linux 内核是怎样实现 CPU 亲和性功能的。

本文使用的 Linux 内核版本为 2.6.23

Linux 内核为每个 CPU 定义了一个类型为 struct rq 的 可运行的进程队列，也就是说，每个 CPU 都拥有一个独立的可运行进程队列。

一般来说，CPU 只会从属于自己的可运行进程队列中选择一个进程来运行。也就是说，CPU0 只会从属于 CPU0 的可运行队列中选择一个进程来运行，而绝不会从 CPU1 的可运行队列中获取。

所以，从上面的信息中可以分析出，要将进程绑定到某个 CPU 上运行，只需要将进程放置到其所属的 可运行进程队列 中即可。

下面我们来分析一下 sched_setaffinity 系统调用的实现，sched_setaffinity 系统调用的调用链如下：

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

从上面的调用链可以看出，sched_setaffinity 系统调用最终会调用 migrate_task 函数来完成进程与 CPU 进行绑定的工作，我们来分析一下 migrate_task 函数的实现：

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

    // 情况1:
    // 如果进程还没有在任何运行队列中
    // 那么只需要将进程的 cpu 字段设置为 dest_cpu 即可
    if (!p->se.on_rq && !task_running(rq, p)) {
        set_task_cpu(p, dest_cpu);
        return 0;
    }

    // 情况2:
    // 如果进程已经在某一个 CPU 的可运行队列中
    // 那么需要将进程从之前的 CPU 可运行队列中迁移到新的 CPU 可运行队列中
    // 这个迁移过程由 migration_thread 内核线程完成

    // 构建进程迁移请求
    init_completion(&req->done);
    req->task = p;
    req->dest_cpu = dest_cpu;
    list_add(&req->list, &rq->migration_queue);

    return 1;
}

我们先来介绍一下 migrate_task 函数各个参数的意义：

p：要设置 CPU 亲和性的进程描述符。

dest_cpu：绑定的 CPU 编号。

req：进程迁移请求对象（下面会介绍）。

所以，migrate_task 函数的作用就是将进程描述符为 p 的进程绑定到编号为 dest_cpu 的目标 CPU 上。

migrate_task 函数主要分两种情况来将进程绑定到某个 CPU 上：

情况1：如果进程还没有在任何 CPU 的可运行队列中（不可运行状态），那么只需要将进程描述符的 cpu 字段设置为 dest_cpu 即可。当进程变为可运行时，会根据进程描述符的 cpu 字段来自动放置到对应的 CPU 可运行队列中。

情况2：如果进程已经在某个 CPU 的可运行队列中，那么需要将进程从之前的 CPU 可运行队列中迁移到新的 CPU 可运行队列中。迁移过程由 migration_thread 内核线程完成，migrate_task 函数只是构建一个进程迁移请求，并通知 migration_thread 内核线程有新的迁移请求需要处理。

而进程迁移过程由 __migrate_task 函数完成，我们来看看 __migrate_task 函数的实现：

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);    // 进程所在的原可运行队列
    rq_dest = cpu_rq(dest_cpu);  // 进程希望放置的目标可运行队列
    ...
    on_rq = p->se.on_rq;  // 进程是否在可运行队列中（可运行状态）
    if (on_rq)
        deactivate_task(rq_src, p, 0);  // 把进程从原来的可运行队列中删除

    set_task_cpu(p, dest_cpu);

    if (on_rq) {
        activate_task(rq_dest, p, 0);   // 把进程放置到目标可运行队列中
        ...
    }
    ...
    return ret;
}

__migrate_task 函数主要完成以下两个工作：

把进程从原来的可运行队列中删除。

把进程放置到目标可运行队列中。

其工作过程如下图所示（将进程从 CPU0 的可运行队列迁移到 CPU3 的可运行队列中）：

如上图所示，进程原本在 CPU0 的可运行队列中，但由于重新将进程绑定到 CPU3，所以需要将进程从 CPU0 的可运行队列迁移到 CPU3 的可运行中。

迁移过程首先将进程从 CPU0 的可运行队列中删除，然后再将进程插入到 CPU3 的可运行队列中。

当 CPU 要运行进程时，首先从它所属的可运行队列中挑选一个进程，并将此进程调度到 CPU 中运行。

总结

从上面的分析可知，其实将进程绑定到某个 CPU 只是将进程放置到 CPU 的可运行队列中。

由于每个 CPU 都有一个可运行队列，所以就有可能会出现 CPU 间可运行队列负载不均衡问题。如 CPU0 可运行队列中的进程比 CPU1 可运行队列多非常多，从而导致 CPU0 的负载非常高，而 CPU1 负载非常低的情况。

当出现上述情况时，就需要对 CPU 间的可运行队列进行重平衡操作，有兴趣的可以自行阅读源码或参考相关资料。

编辑：黄飞