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Linux下进程的CPU配置与线程绑定过程

目录
  • 1 基于进程的CPU配置
    • 1.1 对CPU亲和力的配置
    • 1.2 绑定进程到指定CPU核上运行
  • 2 基于线程的CPU配置
    • 2.1 线程绑定:使用函数pthread_setaffinity_np
  • 总结

    1 基于进程的CPU配置

    基于进程的CPU配置技术是指在linux操作系统中,通过调整进程的CPU使用率来实现对系统资源的合理分配和管理。这种技术可以用于限制特定进程的CPU使用,防止其占用过多的CPU资源,从而保证系统的稳定性和性能。

    基于进程的CPU配置是指将一个进程绑定到特定的CPU核心或者CPU集合上运行。这样可以控制进程在特定的CPU资源上执行,以提高性能或实现特定的调度策略。

    1.1 对CPU亲和力的配置

    对于Centos 8下的Linux系统,首先可以使用top命令来查看当前的CPU占用率,如下图所示:

    键盘上按数字1,可以以数据化的形式看到具体的使用情况,如下图:

    Linux下进程的CPU配置与线程绑定过程

    键盘上按字母t,可以以图形化的形式看到具体的使用情况,如下图:

    Linux下进程的CPU配置与线程绑定过程

    Linux下进程的CPU配置与线程绑定过程

    可以看到,当前的CPpythonU基本是空闲的状态。

    这时候,我们写一个测试代码,让其挂在后台运行,例如下面的一个死循环函数:

    #include <IOStream>
    
    int main()
    {
        while (true) {
            // 在这里编写你的代码
            // 例如,输出一条信息
            std::cout << "Hello, I am running in an infinite loop!" << std::endl;
        }
    
        return 0;
    }
    

    让其挂在后台运行着,暂时不管。

    如下图:

    Linux下进程的CPU配置与线程绑定过程

    Linux下进程的CPU配置与线程绑定过程

    此时,我们再次使用top命令,来查看当前的CPU 状态,如下图:

    Linux下进程的CPU配置与线程绑定过程

    可以看到,此时循环代码这个进程正在后台不停运行,此时的CPU占用率相比开始,非常的高。

    记住当前的进程PID,然后使用taskset -c -p 13265 命令查看当前进程的CPU亲和力。13265是当前进程的PID。

    Linux下进程的CPU配置与线程绑定过程

    可以从输出的信息看出,pid 为13265的进程(即当前的测试进程)的亲和力CPU为0-3,即它同时运行在了0,1,2,3这四个CPU上面。

    现在我们更改pid 为13265的进程(即当前的测试进程)的亲和力,将其改成只在0,1这两个CPU上面运行。如下图:

    Linux下进程的CPU配置与线程绑定过程

    Linux下进程的CPU配置与线程绑定过程

    这里由于我使用了ctrl + c暂停了刚才的进程,然后重新启动该进程时,进程的PID变成了13495,不过这没有任何影响。可以看到,当前的进程新的亲和力列表为0,1,说明设置新的CPU亲和力成功。而pid 13495 的当前亲和力掩码为3,同样能说明亲和力设置成功。使用taskset命令来查看进程运行在哪个CPU上。

    使用以下命令:

    taskset -p < PID >

    【请将< PID >替换为你要查看的进程的实际PID。】

    该命令将显示进程的当前亲和力掩码,其中每个位表示一个CPU核心。例如,如果输出为pid 's current affinity mask: 3,表示进程当前在CPU核心0和1上运行,因为二进制表示为11。

    再次实验一下,这次我们将CPU亲和力设置在CPU 1,CPU2上,如下图:

    Linux下进程的CPU配置与线程绑定过程

    由当前亲和力掩码可以看到,为6,说明此时运行在CPU1和CPU2上。(2^1 + 2^2 = 6)

    1.2 绑定进程到指定CPwww.devze.comU核上运行

    查看CPU有几个核

    使用 cat /proc/cpuinfo 查看CPU信息,如下两个信息:

    • ·processor:指明第几个cpu处理器
    • ·cpu cores:指明每个处理器的核心数

    Linux下进程的CPU配置与线程绑定过程

    以本机中虚拟机为例,有4个CPU(分别为:CPU0, CPU1, CPU2, CPU3),每个CPU有1个核。

    也可以使用系统调用sysconf获取CPU核心数:

    #include <unistd.h>
    
    int sysconf(_SC_NPROCESSORS_CONF);/* 返回系统可以使用的核数,但是其值会包括系统中禁用的核的数目,因 此该值并不代表当前系统中可用的核数 */
    int sysconf(_SC_NPROCESSORS_ONLN);/* 返回值真正的代表了系统当前可用的核数 */
    
    /* 以下两个函数与上述类似 */
    #include <sys/sysinfo.h>
    
    int get_nprocs_conf (void);/* 可用核数 */
    int get_nprocs (void);/* 真正的反映了当前可用核数 */
    

    使用 taskset 指令 

    • 获取进程pid:

    Linux下进程的CPU配置与线程绑定过程

    • 查看进程当前运行在哪个CPU上:

    Linux下进程的CPU配置与线程绑定过程

    显示的十六进制f转换为二进制为最低四个是1,每个1对应一个CPU,所以进程运行在4个CPU上。

    • 指定进程10770运行在CPU0上:

    Linux下进程的CPU配置与线程绑定过程

    注意,CPU的标号是从0开始的,所以cpu0表示第1个CPU(第一个CPU的标号是0)。

    至此,就把应用程序绑定到了CPU0上运行,查看如下:

    Linux下进程的CPU配置与线程绑定过程

    • 启动程序时绑定CPU:

    例如启动时绑定到第二个CPU上,即CPU1:

    Linux下进程的CPU配置与线程绑定过程

    使用sched_setaffinity系统调用 

    通过系统调用sched_setaffinity进行绑定,通过scOEDbePhed_getaffinity获取绑定关系。注意这对方法是进程级别的绑定。代码中指定cpu0和cpu3,我们可以通过top查看,两个CPU使用达到了100%,其他的CPU均不会(正常场景)。

    sched_setaffinity可以将某个进程绑定到一个特定的CPU。
    
    #define _GNU_SOURCE             /* See feature_test_MACros(7) */
    #include <sched.h>
    
    /* 设置进程号为pid的进程运行在mask所设定的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pid的值为0,则表示指定的是当前进程 
     */
    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);/* 获得pid所指示的进程的CPU位掩码,并将该掩码返回到mask所指向的结构中 */
    

    代码示例:

    /*
    
    *该程序演示了如何使用sched_setaffinity函数将线程绑定到特定的CPU核心上运行。
    *程序首先创建了两个线程,然后使用sched_setaffinity函数将线程1绑定到CPU 0上,将线程2绑定到CPU 3上。
    *运行时,可以通过查看输出的pid来确定程序的进程ID。
    *然后,程序将CPU_ZERO宏应用于一个cpu_set_t类型的变量mask,以将其初始化为空集。
    *接下来,程序将CPU_SET宏应用于mask,将CPU 0和CPU 3添加到集合中。
    *最后,程序调用sched_setaffinity函数将mask应用于当前进程,将线程1绑定到CPU 0上,将线程2绑定到CPU 3上。
    *线程创建成功后,程序使用pthread_join函数等待线程1和线程2的结束。
    */
    #define _GNU_SOURCE             /* See feature_test_macros(7) */
    #include <stdio.h>
    #include <sys/typOEDbePes.h>
    #include <unistd.h>
    #include <sched.h>
    #include <pthread.h>
     
    void* testfunc(void* t) {
      while(1);
      return NULL; 
    }
     
    int main()
    {
      cpu_set_t mask; // 定义cpu_set_t类型的变量mask,用于存储CPU集合
      printf("pid=%d\n", getpid()); // 打印进程ID
      CPU_ZERO(&mask); // 将mask初始化为空集
      CPU_SET(0, &mask);//将cpu0绑定到mask中
      CPU_SET(3, &mask);//将cpu3绑定到mask中
    
      // 将mask应用于当前进程,绑定线程到指定的CPU核心
      sched_setaffinity(0, sizeof(cpu_set_t), &mask) ;
      
      pthread_t tid1;//创建线程1
      if (pthread_create(&tid1, NULL, (void *)testfunc, NULL) != 0) 
      {      
        fprintf(stderr, "thread create failed\n"); // 线程创建失败,打印错误信息
        return -1;   
      }
      pthread_t tid2;//创建线程2
      if (pthread_create(&tid2, NULL, (void *)testfunc, NULL) != 0) 
      {      
        fprintf(stderr, "thread create failed\n"); // 线程创建失败,打印错误信息
        return -1;   
      } 
      pthread_join(tid1, NULL); // 等待线程1结束
      pthread_join(tid1, NULL); // 等待线程2结束
      return 0;
    }
    

    执行结果如下图所示: 

    • 执行前:

    Linux下进程的CPU配置与线程绑定过程

    • 执行后:

    Linux下进程的CPU配置与线程绑定过程

    2 基于线程的CPU配置

    2.1 线程绑定:使用函数pthread_setaffinity_np

    线程绑定CPU核心的意义:

    • 在多核CPU中合理的调度线程在各个核上运行可以获得更高的性能。
    • 在多线程编程中,每个线程处理的任务优先级是不一样的,对于要求实时性比较高的线程或者是主线程,对于这种线程我们可以在创建线程时指定其绑定到某个CPU核上,以后这个核就专门处理该线程。
    • 这样可以使得该线程的任务可以得到较快的处理,特别是和用户直接交互的任务,较短的响应时间可以提升用户的体验感。

    几个重要的宏操作:

    一个线程的CPU亲合力掩码用一个cpu_set_t结构体来表示一个CPU集合,下面的几个宏分别对这个掩码集进行操作:

    CPU_ZERO() www.devze.com清空一个集合
    CPU_SET()与CPU_CLR()分别对将一个给定的CPU号加到一个集合或者从一个集合中去掉
    CPU_ISSET()检查一个CPU号是否在这个集合中
    

    设置获取线程CPU亲和力状态:

    sched_setaffinity(pid_t pid, unsigned int cpusetsize, cpu_set_t *mask)
    

    该函数设置线程为pid的这个线程,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线程,使当前线程运行在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所指定的线程此时没有运行在mask所指定的任意一个CPU上,则该指定的线程会从其它CPU上迁移到mask的指定的一个CPU上运行。

    sched_getaffinity(pid_t pid, unsigned int cpusetsize, cpu_set_t *mask)
    

    该函数获得pid所指示的线程的CPU位掩码,并将该掩码返回到mask所指向的结构中。即获得指定pid当前可以运行在哪些CPU上。同样,如果pid的值为0。也表示的是当前进程。

    简单的实例:

    // 此代码不完整,只是帮助理解绑定过程
    // 在创建线程时添加以下代码,可以将该线程绑定到1核
    cpu_set_t mask;
    
    // 将掩码清零
    CPU_ZERO(&mask);
    
    // 将1添加到掩码中
    CPU_SET(1, &mask);
    
    // #将本线程绑定到1核
    sched_setaffinity(0, sizeof(cpu_set_t), &mask);
    

    查看线程是否运行在指定的核上:

    实际工作中,为了方便查看线程的情况,会在创建线程时将相关信息保存到一个文件中,需要时用cat命令查看,内容包括创建了哪些线程、线程名称、线程id和pid、绑定的CPU核、优先级、调度方式等。

    使用“top”命令查看:

    • top -d 2:查看线程的运行情况和CPU状态
    • 按’h’ 和 1:在上一句的基础上可以查看更详细的信息。

    从文件中得到线程pid和ppid,通过top命令,查看线程在哪个CPU核上运行,验证核绑定的核是否一样。

    对于线程绑定,我们需要借助pthread库,通过函数pthread_setaffinity_np来设置绑定cpu关系。我们通过top查看,会发现cpu0和cpu3使用率达到100%。

    代码实例:

    /*
     *该程序演示了如何使用pthread_setaffinity_np函数将线程绑定到特定的CPU核心上运行。
     *程序首先创建了两个线程,然后使用pthread_setaffinity_np函数将线程1绑定到CPU 0上,将线程2绑定到CPU 3上。
     *运行时,可以通过查看输出的pid来确定程序的进程ID。
     *然后,程序将CPU_ZERO宏应用于一个cpu_set_t类型的变量mask,以将其初始化为空集。
     *接下来,程序使用pthread_create函数创建线程1和线程2,并检查线程创建是否成功。
     *然后,程序打印出线程1和线程2的ID。
     *程序使用CPU_SET宏将CPU 0添加到mask中,并使用pthread_setaffinity_np函数将mask应用于线程1,将线程1绑定到CPU 0上。
     *然后,程序清除之前设置的mask,并将CPU 3添加到mask中,并使用pthread_setaffinity_np函数将mask应用于线程2,将线程2绑定到CPU   3上。
     *最后,程序使用pthread_join函数等待线程1和线程2的结束。
    */
    #define _GNU_SOURCE             /* See feature_test_macros(7) */
    #include <stdio.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <unistd.h>
    #include <sched.h>
    #include <pthread.h>
    
    void* testfunc(void* t) {
      int i = 3; // 初始化循环计数器为3
      while(i) { // 进入循环,条件为i非零
         sleep(5); // 休眠5秒
         printf("tid=%d,cpu=%d\n",pthread_self(), sched_getcpu()); // 打印线程ID和CPU编号
         i--; // 计数器减一
      }
      while(1); // 进入无限循环
      return NULL; 
    }
    
    int main()
    {
      cpu_set_t mask; // 定义CPU集合
      printf("pid=%d\n", getpid()); // 打印进程ID
      CPU_ZERO(&mask); // 清空CPU集合
      
      pthread_t tid1; // 定义线程tid1
      if (pthread_create(&tid1, NULL, (void *)testfunc, NULL) != 0) 
      {      
        fprintf(stderr, "thread create failed\n"); // 线程创建失败,打印错误信息
        return -1;   
      }
      pthread_t tid2; // 定义线程tid2
      if (pthread_create(&tid2, NULL, (void *)testfunc, NULL) != 0) 
      {      
        fprintf(stderr, "thread create failed\n"); // 线程创建失败,打印错误信息
        return -1;   
      } 
      printf("tid1=%d,tid2=%d\n", tid1,tid2); // 打印线程tid1和tid2的值
     
      CPU_SET(0, &mask); // 将CPU0加入CPU集合
      pthread_setaffinity_np(tid1, sizeof(cpu_set_t), &mask) ; // 设置线程tid1的CPU亲和性为CPU0
      
      // 清除之前设置,重新设置绑定cpu3
      CPU_ZERO(&mask); // 清空CPU集合
      CPU_SET(3, &mask); // 将CPU3加入CPU集合
      pthread_setaffinity_np(tid2, sizeof(cpu_set_t), &mask) ; // 设置线程tid2的CPU亲和性为CPU3
      
      pthread_join(tid1, NULL); // 等待线程tid1结束
      pthread_join(tid1, NULL); // 等待线程tid2结束
      return 0;
    }
    
    • 执行之后:

    Linux下进程的CPU配置与线程绑定过程

    • 将其kill,恢复:

    Linux下进程的CPU配置与线程绑定过程

    建议:进行配置之前先将虚拟机拍摄快照,以防配置不当出现意外情况。

    总结

    以上为个人经验,希望能给大家一个参考,也希望大家多多支持编程客栈(www.devze.com)。

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