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实际用C/Cgo开发你会特别注意内存和CPU的使用情况那些对于CPU使用情况特别关注或者性能特别关注的朋友可以看看这篇文章相信看完结尾的示例能对你优化CPU资源使用有帮助。
我们都知道CPU上下文切换会增加系统负载。那什么是CPU上下文为什么要切换?
什么是CPU切换
我们都知道Linux 是一个多任务操作系统它支持远大于 CPU 数量的任务同时运行。当然这些任务实际上并不是真的在同时运行而是因为系统在很短的时间内将 CPU 轮流分配给它们造成多任务同时运行的错觉。
而在每个任务运行前CPU 都需要知道任务从哪里加载、又从哪里开始运行也就是说需要系统事先帮它设置好 CPU 寄存器和程序计数器(Program CounterPC)。
CPU 寄存器是 CPU 内置的容量小、但速度极快的内存。而程序计数器则是用来存储 CPU 正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置。它们都是 CPU 在运行任何任务前必须的依赖环境因此也被叫做 CPU 上下文。
而这些保存下来的上下文会存储在系统内核中并在任务重新调度执行时再次加载进来。这样就能保证任务原来的状态不受影响让任务看起来还是连续运行。
根据任务的不同CPU的上下文切换可以分为不同的场景也就是进程上下文切换、线程上下文切换、中断上下文切换。
进程上下文切换
Linux 按照特权等级把进程的运行空间分为内核空间和用户空间分别对应着下图中 CPU 特权等级的 Ring 0 和 Ring 3。
内核空间(Ring 0)具有最高权限可以直接访问所有资源;用户空间(Ring 3)只能访问受限资源不能直接访问内存等硬件设备必须通过系统调用陷入到内核中才能访问这些特权资源。换个角度看也就是说进程既可以在用户空间运行又可以在内核空间中运行。进程在用户空间运行时被称为进程的用户态而陷入内核空间的时候被称为进程的内核态。
从用户态到内核态的转变需要通过系统调用来完成。比如当我们查看文件内容时就需要多次系统调用来完成首先调用 open() 打开文件然后调用 read() 读取文件内容并调用 write() 将内容写到标准输出最后再调用 close() 关闭文件。
那么系统调用的过程有没有发生 CPU 上下文的切换呢?答案自然是肯定的。
CPU 寄存器里原来用户态的指令位置需要先保存起来。接着为了执行内核态代码CPU 寄存器需要更新为内核态指令的新位置。最后才是跳转到内核态运行内核任务。而系统调用结束后CPU 寄存器需要恢复原来用户保存的状态然后再切换到用户空间继续运行进程。所以一次系统调用的过程其实是发生了两次 CPU 上下文切换。不过需要注意的是系统调用过程中并不会涉及到虚拟内存等进程用户态的资源也不会切换进程。这跟我们通常所说的进程上下文切换是不一样的
进程上下文切换是指从一个进程切换到另一个进程运行。而系统调用过程中一直是同一个进程在运行。
所以系统调用过程通常称为特权模式切换而不是上下文切换。但实际上系统调用过程中CPU 的上下文切换还是无法避免的。
那么进程上下文切换跟系统调用又有什么区别呢?
首先你需要知道进程是由内核来管理和调度的进程的切换只能发生在内核态。所以进程的上下文不仅包括了虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源还包括了内核堆栈、寄存器等内核空间的状态。
因此进程的上下文切换就比系统调用时多了一步在保存当前进程的内核状态和 CPU 寄存器之前需要先把该进程的虚拟内存、栈等保存下来;而加载了下一进程的内核态后还需要刷新进程的虚拟内存和用户栈。
如下图所示保存上下文和恢复上下文的过程并不是“免费”的需要内核在 CPU 上运行才能完成。 根据测试报告每次上下文切换都需要几十纳秒到数微秒的 CPU 时间。这个时间还是相当可观的特别是在进程上下文切换次数较多的情况下很容易导致 CPU 将大量时间耗费在寄存器、内核栈以及虚拟内存等资源的保存和恢复上进而大大缩短了真正运行进程的时间。这也正是上一节中我们所讲的导致平均负载升高的一个重要因素。
另外我们知道 Linux 通过 TLB(Translation Lookaside Buffer)来管理虚拟内存到物理内存的映射关系。当虚拟内存更新后TLB 也需要刷新内存的访问也会随之变慢。特别是在多处理器系统上缓存是被多个处理器共享的刷新缓存不仅会影响当前处理器的进程还会影响共享缓存的其他处理器的进程。
知道了进程上下文切换潜在的性能问题后我们再来看究竟什么时候会切换进程上下文。
显然进程切换时才需要切换上下文换句话说只有在进程调度的时候才需要切换上下文。Linux 为每个 CPU 都维护了一个就绪队列将活跃进程(即正在运行和正在等待 CPU 的进程)按照优先级和等待 CPU 的时间排序然后选择最需要 CPU 的进程也就是优先级最高和等待 CPU 时间最长的进程来运行。
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最容易想到的一个时机就是进程执行完终止了它之前使用的 CPU 会释放出来这个时候再从就绪队列里拿一个新的进程过来运行。其实还有很多其他场景也会触发进程调度在这里我给你逐个梳理下。
其一为了保证所有进程可以得到公平调度CPU 时间被划分为一段段的时间片这些时间片再被轮流分配给各个进程。这样当某个进程的时间片耗尽了就会被系统挂起切换到其它正在等待 CPU 的进程运行。
其二进程在系统资源不足(比如内存不足)时要等到资源满足后才可以运行这个时候进程也会被挂起并由系统调度其他进程运行。
其三当进程通过睡眠函数 sleep 这样的方法将自己主动挂起时自然也会重新调度。
其四当有优先级更高的进程运行时为了保证高优先级进程的运行当前进程会被挂起由高优先级进程来运行。
最后一个发生硬件中断时CPU 上的进程会被中断挂起转而执行内核中的中断服务程序。
了解这几个场景是非常有必要的因为一旦出现上下文切换的性能问题它们就是幕后凶手。
线程上下文切换
说完了进程的上下文切换我们再来看看线程相关的问题。
线程与进程最大的区别在于线程是调度的基本单位而进程则是资源拥有的基本单位。说白了所谓内核中的任务调度实际上的调度对象是线程;而进程只是给线程提供了虚拟内存、全局变量等资源。所以对于线程和进程我们可以这么理解
当进程只有一个线程时可以认为进程就等于线程。当进程拥有多个线程时这些线程会共享相同的虚拟内存和全局变量等资源。这些资源在上下文切换时是不需要修改的。另外线程也有自己的私有数据比如栈和寄存器等这些在上下文切换时也是需要保存的。
这么一来线程的上下文切换其实就可以分为两种情况
第一种 前后两个线程属于不同进程。此时因为资源不共享所以切换过程就跟进程上下文切换是一样。
第二种前后两个线程属于同一个进程。此时因为虚拟内存是共享的所以在切换时虚拟内存这些资源就保持不动只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据。
到这里你应该也发现了虽然同为上下文切换但同进程内的线程切换要比多进程间的切换消耗更少的资源而这也正是多线程代替多进程的一个优势。
中断上下文切换
为了快速响应硬件的事件中断处理会打断进程的正常调度和执行转而调用中断处理程序响应设备事件。而在打断其他进程时就需要将进程当前的状态保存下来这样在中断结束后进程仍然可以从原来的状态恢复运行。
对同一个 CPU 来说中断处理比进程拥有更高的优先级所以中断上下文切换并不会与进程上下文切换同时发生。同样道理由于中断会打断正常进程的调度和执行所以大部分中断处理程序都短小精悍以便尽可能快的执行结束。
另外跟进程上下文切换一样中断上下文切换也需要消耗 CPU切换次数过多也会耗费大量的 CPU甚至严重降低系统的整体性能。所以当你发现中断次数过多时就需要注意去排查它是否会给你的系统带来严重的性能问题。
进程/线程CPU的亲缘性
何为CPU的亲和性
CPU的亲和性进程要在某个给定的 CPU 上尽量长时间地运行而不被迁移到其他处理器的倾向性进程迁移的频率小就意味着产生的负载小。亲和性一词是从affinity翻译来的实际可以称为CPU绑定。
在多核运行的机器上每个CPU本身自己会有缓存在缓存中存着进程使用的数据而没有绑定CPU的话进程可能会被操作系统调度到其他CPU上如此CPU cache高速缓冲存储器命中率就低了也就是说调到的CPU缓存区没有这类数据要先把内存或硬盘的数据载入缓存。而当缓存区绑定CPU后程序就会一直在指定的CPU执行不会被操作系统调度到其他CPU性能上会有一定的提高。
另外一种使用CPU绑定考虑的是将关键的进程隔离开对于部分实时进程调度优先级提高可以将其绑定到一个指定CPU核上可以保证实时进程的调度也可以避免其他CPU上进程被该实时进程干扰。
我们可以手动地为其分配CPU核而不会过多的占用同一个CPU所以设置CPU亲和性可以使某些程序提高性能。
CPU亲缘性可以分为两大类软亲缘性和硬亲缘性。
Linux 内核进程调度器天生就具有被称为 CPU 软亲缘性soft affinity 的特性这意味着进程通常不会在处理器之间频繁迁移。这种状态正是我们希望的因为进程迁移的频率小就意味着产生的负载小。但不代表不会进行小范围的迁移。
CPU 硬亲缘性是指通过Linux提供的相关CPU亲缘性设置接口显示的指定某个进程固定的某个处理器上运行。本文所提到的CPU亲缘性主要是指硬亲缘性。
使用CPU亲缘性的好处
目前主流的服务器配置都是SMP架构在SMP的环境下每个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kernel调度到其他CPU上即所谓的core migration如此CPU cache命中率就低了。设置CPU亲缘性程序就会一直在指定的cpu运行防止进程在多SMP的环境下的core migration从而避免因切换带来的CPU的L1/L2 cache失效。从而进一步提高应用程序的性能。
Linux CPU亲缘性的使用
我们有两种办法指定程序运行的CPU亲缘性。
通过Linux提供的taskset工具指定进程运行的CPU。方式二glibc本身也为我们提供了这样的接口借来的内容主要为大家讲解如何通过编程的方式设置进程的CPU亲缘性。
绑定进程到cpu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
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查看进程当前运行在哪个cpu上显示的十进制数字3转换为2进制为最低两个是1每个1对应一个cpu这里的f表示的是随机分配的。
指定进程运行在cpu1上 注意cpu的标号是从0开始的所以cpu1表示第二个cpu第一个cpu的标号是0。
至此就把应用程序绑定到了cpu1上运行查看如下 使用sched_setaffinity系统调用
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 */
实例
#includestdlib.h
#includestdio.h
#includesys/types.h
#includesys/sysinfo.h
#includeunistd.h
#define __USE_GNU
#includesched.h
#includectype.h
#includestring.h
#includepthread.h
#define THREAD_MAX_NUM 200 //1个CPU内的最多进程数
int num0; //cpu中核数
void* threadFun(void* arg) //arg 传递线程标号自己定义
{cpu_set_t mask; //CPU核的集合cpu_set_t get; //获取在集合中的CPUint *a (int *)arg; int i;printf(the thread is:%d\n,*a); //显示是第几个线程CPU_ZERO(mask); //置空CPU_SET(*a,mask); //设置亲和力值if (sched_setaffinity(0, sizeof(mask), mask) -1)//设置线程CPU亲和力{printf(warning: could not set CPU affinity, continuing...\n);}CPU_ZERO(get);if (sched_getaffinity(0, sizeof(get), get) -1)//获取线程CPU亲和力{printf(warning: cound not get thread affinity, continuing...\n);}for (i 0; i num; i){if (CPU_ISSET(i, get))//判断线程与哪个CPU有亲和力{printf(this thread %d is running processor : %d\n, i,i);}}return NULL;
}
int main(int argc, char* argv[])
{int tid[THREAD_MAX_NUM];int i;pthread_t thread[THREAD_MAX_NUM];num sysconf(_SC_NPROCESSORS_CONF); //获取核数if (num THREAD_MAX_NUM) {printf(num of cores[%d] is bigger than THREAD_MAX_NUM[%d]!\n, num, THREAD_MAX_NUM);return -1;}printf(system has %i processor(s). \n, num);for(i0;inum;i){tid[i] i; //每个线程必须有个tid[i]pthread_create(thread[i],NULL,threadFun,(void*)tid[i]);}for(i0; i num; i){pthread_join(thread[i],NULL);//等待所有的线程结束线程为死循环所以CTRLC结束}return 0;
}
绑定线程到cpu核上运行
绑定线程到cpu核上使用pthread_setaffinity_np函数其原型定义如下
#define _GNU_SOURCE /* See feature_test_macros(7) */#include pthread.hint pthread_setaffinity_np(pthread_t thread, size_t cpusetsize,const cpu_set_t *cpuset);int pthread_getaffinity_np(pthread_t thread, size_t cpusetsize, cpu_set_t *cpuset);Compile and link with -pthread.
各参数的意义与sched_setaffinity相似。实例
#define _GNU_SOURCE
#include pthread.h
#include stdio.h
#include stdlib.h
#include errno.h
#define handle_error_en(en, msg) \do { errno en; perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while (0)
int
main(int argc, char *argv[])
{int s, j;cpu_set_t cpuset;pthread_t thread;thread pthread_self();/* Set affinity mask to include CPUs 0 to 7 */CPU_ZERO(cpuset);for (j 0; j 8; j)CPU_SET(j, cpuset);s pthread_setaffinity_np(thread, sizeof(cpu_set_t), cpuset);if (s ! 0)handle_error_en(s, pthread_setaffinity_np);/* Check the actual affinity mask assigned to the thread */s pthread_getaffinity_np(thread, sizeof(cpu_set_t), cpuset);if (s ! 0)handle_error_en(s, pthread_getaffinity_np);printf(Set returned by pthread_getaffinity_np() contained:\n);for (j 0; j CPU_SETSIZE; j)if (CPU_ISSET(j, cpuset))printf( CPU %d\n, j);exit(EXIT_SUCCESS);
}
通过亲缘性绑定你可以用mpstat -P ALL 1 查看各个CPU core的使用情况具体参数这里不做过多解释相信你可以通过英文单词就可以理解各个参数的含义。结语
既然你知道了如何通过CPU资源绑定来减少CPU切换带来的性能问题你有么有想过这又会带来什么问题吗他的优缺点是什么
