多核系統中的CPU優化技術

杜秀芳

【摘要】本文主要介紹了在多核系統中從軟件上開發的一種CPU優化技術。這種優化技術針對CPU使用不均衡的問題，利用任務調度算法能自動平衡CPU的使用，提高多核系統中CPU的使用率，從而發揮CPU的性能優勢。

【關鍵詞】多核系統 CPU優化 任務調度

0 引言

隨著CPU技術的發展，CPU性能的提高方向已經從單核CPU頻率的提高往CPU核數的提高轉變。以INTEL至強系列為例，Xeon D-1521是四核CPU，每核的主頻是2.4GHz；Xeon D-1531處理器是6核設備，主頻是2.2GHz，Xeon E5 v4處理器是10核心設備，主頻是2.2GHzo這三款處理器都是采用14nm工藝制造，主頻并沒有太大分別，在跑分上分別為6980、9730、13923。但是，CPU技術提高了，應用技術并沒有很好的配合提高，并不能發揮CPU的性能優勢。本文開發了一種CPU優化技術，可以提高多核系統中CPU的使用率。

1 CPU使用的不均衡問題

在CPU技術的發展過程中，核心數量的增長是近年的趨勢，對于多核支撐，需要程序開發人員自行分配核心的工作量。但這件事并不是一個簡單的工作，所謂“一核有難十核圍觀”。雖然后來的技術有一定的改善，但是還是沒有實現均衡的使用。

2 綁核的任務系統

本文開發了一套任務調度框架，在本程序框架下運行的程序，會自動平衡多核CPU的使用，達到較優的多核使用效率。本框架是在linux環境下開發和調試的，代碼使用C語言。

2.1 action的定義

本框架把每一個要完成的任務定義為一個action。一個action，從業務上是一個軟件要處理的事務單元，也可以多個事務單元完成一個事務；從代碼上任務可以理解為函數。以路由器為例，從業務上，它處理的任務都是I/O相關的內容，所以每個任務包含I/O相關的信息，比如I/O請求等等；從代碼上，用一個函數指針來描述任務。由于我們這個任務調度算法設計的初衷是方便任務調度、提高CPU使用的效率。所以要求任務的處理時間不能太長。這個太長在CPU領域里面定位為100ms，這個是個估計值。任務的處理時間短是任務的內在要求。

當任務的時間過長，會損耗框架的靈活調度。所以當一個任務的處理時間可能比較長的時候，需要拆分成多個任務，這就是任務拆分。任務拆分的目的是控制單個任務的處理時間。

2.2 線程和CPU的關系

對于高性能處理器，往往有多個CPU，為了講清楚這個關系，我們假設CPU的核數是6核。

在操作系統層面上，基本的運行單元是進程，進程中的調度單元是線程。一個進程可以有多個線程，但是至少要有一個線程，否則就沒必要存在。對于進程所擁有的資源，線程也是可以共享的。在有了線程的操作系統中，進程是分配資源的基本單元，而線程是獨立運行和獨立調度的基本單元。相比較進程來講，線程更小，而且不擁有系統資源，所以對線程的調度開銷會小得多，通過調度線程可以提高系統的多個程序并發執行的程度。

在配置過程中，一個CPU可以綁定多個線程，即多個線程公用一個CPU。每個線程綁定一個CPU時，系統的性能較高。所以在主程序啟動之初，需要把每個線程跟CPU分別綁定。

2.3 CPU的線程的動卜態補償

為了適應程序開發的多樣性，這里任務也分為兩種：一種任務是獨立的，即這種任務可以獨立的運行在一個線程上，不依賴其他的任務，可以獨立完成；另一種任務是非獨立的，即任務之間有相關性，根據這個要求，這類任務需要運行在同樣的線程上，以避免共享資源的訪問導致性能下降。獨立的任務跟所在的線程無關，可以運行在任何的線程上；非獨立的任務只能運行在同一個線程上。通常來說，對于大多數程序開發，獨立的任務占大多數。

對于非獨立的任務，任務的分配機制是固定的，由使用者自行指定線程（也就是固定線程）。

對于獨立的任務，根據線程（CPU）的忙碌程度，把任務分配到不太忙碌的線程，實現CPU的均衡配置，這就是任務遷移。

2.4 技術關鍵點

實現上，首先要設置進程的CPU數量，也就是該程序所在進程使用多少個CPU。這里采用的接口是CPU親和度接口族，主要是這幾個接口。

#define_GNU_SOURCE/關See feature_test_macros（7）*/

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

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

其中，pid是要CPU的進程pid；mask是二進制掩碼，比如0x000F表示使用CPUO、CPU1、CPU2、CPU3；0x00F1表示使用CPU0、CPU4、CPU5、CPU6、CPU7。

第二個技術點是要設置線程的CPU關系，這一點在實現上需要使用線程CPU綁定函數，這里面

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

int pthread-getaffinity-np（pthread_t thread，size_t cpusetsize，cpu_set_t*cpuset）；

其中，thread為線程id； cpusetsize為cpu數組大小，固定填sizeof（cpu_set_t）；cpuset是一個集合，角來表示設置哪些CPU跟這個線程綁定。

這個集合需要提前創建，使用CPU_SEI，接口實現添加。例如：

CPU ZERO（&cpuset;）；

for（j=0；i<8；j++）

CPU_SET（j，&cpuset;）；

這一段代碼的意思是設置一個CPU包含CPU0-CPU7的集合。

另一個關鍵點就是要求編程人員能夠對任務進行劃分，劃分成盡量與線程無關的任務塊，這樣才能實現任務的自由切換。

3 結束語

CPU技術的發展日新月異，CPU軟件技術的發展也是在逐步提高，逐步發揮出硬件的優勢，本文提供了一種在多核設備上從軟件上優化CPU的技術方案。希望能帶給大家一點思路。

參考文獻：

[1]郭建偉.靈活調度，激活多核CPU“潛力”[J].電腦知識與技術（經驗技巧），2017（11）：33-34.