前言

现在计算机上的CPU大多都是多核的，有4核甚至是8核的。但是一个计算机启动之后其进程数是远远多于CPU核数的，因为操作系统会给自动调度这些进程在CPU核上轮流运行。但是对于应用程序或者进程，其性能要求较高时，可能有必要绑定该进程到指定的CPU核来运行，避免调度带来的额外开销。我自己也是因为最近的项目上有需要进程运行在指定的CPU核上的要求，所以了解了一下这项技术，并且将过程和总结记录于此。

CPU亲和性

在学习这项新技术之前，我们先来了解一下什么是CPU亲和性？所谓亲和性，就是把进程在指定的 CPU 上尽量长时间地运行而不被迁移到其他处理器，也称为CPU关联性；再简单的点的描述就将制定的进程或线程绑定到相应的cpu上；在多核运行的机器上，每个CPU本身自己会有缓存，缓存着进程使用的信息，而进程可能会被OS调度到其他CPU上，如此，CPU cache命中率就低了，当绑定CPU后，程序就会一直在指定的cpu跑，不会由操作系统调度到其他CPU上，性能有一定的提高。

预备知识

在编写测试程序之前，我们先来了解一下CPU相关的宏和函数。

1.首先要想使用CPU系列函数及相关的宏，需要声明下面的宏，以告诉编译器启用这些函数

#define _GNU_SOURCE

2.声明一个cpu_set_t，然后用 CPU_ZERO()宏来初始化数据：

cpu_set_t mask;

CPU_ZERO(&mask);

3.再下来就是要指定绑定的CPU核心,用CPU_SET()宏来指定，例如：

CPU_SET(1, &mask);//绑定CPU核心1

4.下面这个函数是进程绑定CPU核心最关键函数，也是实际绑定CPU核的操作。其原型即参数说明如下：

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

该函数设置进程为pid的这个进程,让它运行在mask所设定的CPU上.如果pid的值为0,则表示指定的是当前进程,使当前进程运行在mask所设定的那些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).如果当前pid所指定的进程此时没有运行在mask所指定的任意一个CPU上,则该指定的进程会从其它CPU上迁移到mask的指定的一个CPU上运行。

用法：

sched_setaffinity(0, sizeof(cpu_set_t), &mask);//设置完mask之后，通过该函数完成实际绑定功能

5.补充：通过上面的4步就可以完成进程绑定CPU核心了，即被绑定的进程会一直运行在指定的CPU核上，不会被操作系统调度走。在这里，我们再介绍一下另外两个宏：

void CPU_CLR (int cpu, cpu_set_t *set)

这个宏将 指定的 cpu 从 CPU 集 set 中删除。

int CPU_ISSET (int cpu, const cpu_set_t *set)

检查 cpu 是否是 CPU 集 set 的一员，如果在CPU集中这个宏就返回一个非零值(true)，否则就返回零(false)。

还有一个函数其功能是获取当前进程运行在哪一个CPU核：

int sched_getcpu();

测试程序

接下来，我们就用一个测试程序来看一下进程是否被绑定在一个CPU核上。

#define _GNU_SOURCE

#include

#include

#include

#include

int main()

{

cpu_set_t mask;

CPU_ZERO(&mask);

CPU_SET(1, &mask);//把main进程绑定到CPU1

sched_setaffinity(0, sizeof(cpu_set_t), &mask);//实际的绑定函数

printf("cpu = %d\n",sched_getcpu());//打印当前运行的CPU核，看是否绑定成功

int i,j,k;

for(i = 0;i < 40;i++)

{//循环40亿次

printf("i = %d\n",i);

for(j = 0;j < 10000;j++)

{

for(k = 0;k < 10000;k++)

{

if(sched_getcpu() != 1)//如果当前CPU核不是1，说明被操作系统给调度走了，绑定失败！并且打印当前运行的CPU核

{

printf("main process: cpu = %d\n",sched_getcpu());

}

}

}

}

printf("main end\n");

return 0;

}

编译测试程序：g++ cpu.cpp -o cpu

运行程序：./cpu

结果如下：

可以看到，打印的CPU核正是我们绑定的CPU，并且没有打印程序中测试绑定失败的相关log，说明循环了40亿次，main进程一直都在CPU1上运行的。

进阶测试

上面的测试，我们只是做到了被绑定的进程确实运行在了指定的CPU上，但是期间是否有其他进程被操作系统调度进来运行呢？被绑定的进程是否独享指定的CPU呢？现在我们就通过测试程序来测试看看。这里我们还是需要上面刚写的测试程序来辅助测试，这里暂且称上面的程序为测试程序1吧。下面我们要写第二个测试程序，其功能就是fork5个子进程，并且对这5个子进程不做绑定，任由操作系统默认调度，测试程序2如下：

#define _GNU_SOURCE

#include

#include

#include

#include

void run(int c, int n,int cpu) {

int lastcpu = cpu;

// if(c == 0)

// {

// cpu_set_t mask;

// CPU_ZERO(&mask);

// CPU_SET(n, &mask);

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

// printf("c= %d,cpu = %d\n",c,sched_getcpu());

// }

int i,j,k;

for (i = 0; i != 60; i++) //循环60亿次

{

printf("c = %d,i = %d\n",c,i);

for(j = 0; j != 10000; j++)

{

for(k = 0;k != 10000;k++)

{

if(sched_getcpu() != lastcpu)//如果当前的CPU核和上次的CPU核不一样，说明该进程被调度了，这样只要进程发生了调度我们就可以知道该进程是从CPU的哪个核调度到哪个核

{

printf("c = %d,i = %d,lastcpu = %d, nowcpu = %d\n",c,i,lastcpu,sched_getcpu());

lastcpu = sched_getcpu(); //更新lastcpu的值

}

}

}

}

printf("c = %d ,i = %d, j = %d,is end\n",c,i,j);

}

int main()

{

int i,initcpu;

for (i = 0; i != 5; i++) {//循环5次，产生了5个子进程

int pid = fork();

if (pid == 0) {//fork返回值为0表明是子进程，if判断里面只有子进程会跑

initcpu = sched_getcpu();//获取各个进程被分配到哪个CPU核

printf("i = %d,initcpu = %d\n",i,initcpu);

run(i, i,initcpu);//每一个子进程都会跑run函数

exit(0);

}

}

return 0;

}

好了，现在我们有一个绑定了CPU1的测试程序1,以及任由操作系统调度的测试程序2.

测试方法就是先执行测试程序1，目的是让测试程序1绑定CPU1,然后再运行测试程序2，由于测试程序2中的子进程都是操作系统默认调度的，所以可以看看测试程序1还在运行期间，测试程序2中的进程是否会被调度到CPU1上。

执行结果：

由于运行结果log较多，这里不一一上传，但是我们从上面的结果中可以看到，在测试程序1执行期间，测试程序2中的这些被系统自动调度的进程并没有一个进程被调度到CPU1上，直到程序1执行完了之后测试程序2的进程才被调度到CPU1上。

线程绑定CPU

线程绑定CPU的函数如下：

int pthread_setaffinity_np(pthread_t thread, size_t cpusetsize, const cpu_set_t *cpuset);

绑定线程与进程的过程和方法都类似，这里就不详细介绍了，读者可以在了解了进程绑定之后再亲自尝试一下线程绑定。

总结

经过上面测试程序的测试我们可以得出以下结论：

1.经过sched_setaffinity函数绑定了CPU之后，进程在其运行期间是独享该核心的，其他被操作系统自动调度的进程不会在该CPU核心上运行。

2.只有 在被绑定的进程运行结束之后，该核心就会被释放，供操作系统自动调度。