Linux如何将进程绑定CPU核心以提高性能

在Linux系统中，进程的调度切换是由内核自动完成的，在多核CPU上，进程有可能在不同的CPU核上来回切换执行，这对CPU的缓存不是很有利。为什么呢？先看一张 Intel i5 CPU 的缓存简单示意图：

CPU cache简单示意图

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。

1. 如何设置进程与CPU核心绑定

在 Linux 系统里，可以使用 CPU_* 系列函数和 sched_setaffinity() 可以实现绑定，具体步骤如下：

1. 使用 CPU_系列函数，必须定义 _GNU_SOURCE 宏，告诉编译器启用这些函数：

#define _GNU_SOURCE

2. 首先声明一个 cpu_set_t，然后用 CPU_ZERO()初始化bit数据：

cpu_set_t mask;
CPU_ZERO(&mask);

cpu_set_t其实是一个bit串，每个bit表示进程是否要与某个CPU核绑定。

3. 接下来把进程绑定到某几个CPU核心，这要用CPU_SET()来设置cpu_set_t中相应的bit位，比如想让进程只在核心1或核心5上执行：

CPU_SET(1, &mask);
CPU_SET(5, &mask);

4. 最后用sched_setaffinity完成实际的绑定：

sched_setaffinity(0, sizeof(cpu_set_t), &mask);

设置起来并不难。那怎么验证我们的绑定真的起作用了呢？我们来做个实验：

假定有一台双核机器，这段程序我们起了20个进程，从0开始每个进程分配一个进程号（注意是这里值我们自己起的进程号，不是进程pid），奇数进程号绑定绑定在 Core 0上执行，偶数号的进程绑定在 Core 1上执行。

我们用for让进程循环，用 sched_getcpu() 函数获得当前进程运行在哪个CPU核心上，每次for循环检查下进程是否真的在分配的核心执行。

#define _GNU_SOURCE
#include <sched.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

void run(int c, int n) {

    cpu_set_t mask;
    CPU_ZERO(&mask);
    CPU_SET(n, &mask);
    sched_setaffinity(0, sizeof(cpu_set_t), &mask);

    int i;
    for (i = 0; i != 10000; i++) {
        printf("%d-%d\n", c, sched_getcpu());
    }
}

int main()
{
    int i;
    for (i = 0; i != 20; i++) {
        int pid = fork();
        if (pid == 0) {
            run(i, i % 2);
            exit(0);
        }
    }
}

执行上面的程序，就会打印每个进程绑定的CPU核号，进程与核号的关系肯定不会变。如果把 sched_setaffinity() 注释掉，CPU进程就失去绑定。

2. 设置亲和性后的性能测试

设置了进程与CPU绑定后，我们来看看是否能真的带来性能的提升。修改上面的run()函数，每个进程创建一个数组，然后计算数组中值的累加，创建数组的意图是保证进程用到了CPU核心的L1、L2缓存：

void run(int c, int n) {

    cpu_set_t mask;
    CPU_ZERO(&mask);
    CPU_SET(n, &mask);
    sched_setaffinity(0, sizeof(cpu_set_t), &mask);

    struct timeval tv;
    gettimeofday(&tv, NULL);
    long begin = tv.tv_sec * 1000 + tv.tv_usec / 1000;

    int i;
    int arr[N];
    for (i = 0; i != N; i++) {
        arr[i] = i;
    }
    long sum = 0;
    for (i = 0; i != N; i++) {
        sum += arr[i];
    }
    gettimeofday(&tv, NULL);
    long end = tv.tv_sec * 1000 + tv.tv_usec / 1000;
    printf("%ld\n", end - begin);
}

然后执行20次程序，10次没有CPU绑定，10次有CPU绑定，记录每个进程的耗时毫秒数，就有下面的结果：

CPU绑定测试

P1～P20是进程号，A1～A10列是没有CPU绑定的情况，B1～B10列是有CPU绑定的情况，耗时越久单元格越红。可见绑定了CPU的情况下性能有近10%的提升。