Linux CPU 亲和性
🌟 概述
CPU 亲和性（CPU Affinity）是指将线程（或任务）绑定到特定 CPU 核心运行，以优化性能、减少缓存失效或确保实时任务的确定性。在 Linux 中，CPU 亲和性常与调度策略（如 SCHED_FIFO、SCHED_RR、SCHED_OTHER）结合使用。
🔍 核心概念
- 定义：通过设置线程的 CPU 亲和掩码（affinity mask），限制其运行的 CPU 核心。
- 目的：
- 提高缓存命中率，减少跨核心数据迁移。
- 降低上下文切换开销，提升实时任务确定性。
- 隔离任务，避免多核干扰。
- 调度单位：线程（Linux 内核的任务）。
- 与调度策略的关系：
- SCHED_FIFO/SCHED_RR：亲和性可确保实时线程固定在高性能核心，减少延迟。
- SCHED_OTHER (CFS)：亲和性优化普通任务的缓存局部性。
🛠️ 主要 API
以下是 Linux 中管理 CPU 亲和性的核心 API（定义在 <sched.h>）：
1. sched_setaffinity
int sched_setaffinity(pid_t pid, size_t cpusetsize, const cpu_set_t *mask);
- 功能：设置线程的 CPU 亲和掩码。
- 参数：
pid：线程 ID（0 表示当前线程）。cpusetsize：掩码大小（通常为sizeof(cpu_set_t)）。mask：cpu_set_t类型，指定允许的 CPU 核心。
- 返回值：成功返回 0，失败返回 -1（检查
errno）。
2. sched_getaffinity
int sched_getaffinity(pid_t pid, size_t cpusetsize, cpu_set_t *mask);
- 功能：获取线程的 CPU 亲和掩码。
- 返回值：成功返回 0，失败返回 -1。
3. cpu_set_t 操作宏
- 定义：
cpu_set_t是一个位图，表示 CPU 核心。 - 常用宏：
CPU_ZERO(&set)：清空掩码。CPU_SET(cpu, &set)：添加 CPU 核心（cpu从 0 开始）。CPU_CLR(cpu, &set)：移除 CPU 核心。CPU_ISSET(cpu, &set)：检查 CPU 是否在掩码中。
⚠️ 注意事项
- 权限：普通用户可设置亲和性，但受系统限制（如
cgroup或numactl配置）。 - 实时调度：SCHED_FIFO/SCHED_RR 结合亲和性可提高确定性，但高优先级线程可能导致低优先级线程饿死。
- 多核影响：绑定单一核心可能限制并行性，需权衡。
- 动态调整：亲和性可随时修改，但频繁更改可能增加开销。
- 工具：使用
taskset命令查看/设置亲和性（如taskset -c 0,1 <pid>绑定到 CPU 0 和 1）。
📊 CPU 亲和性与调度策略结合
| 调度策略 | 亲和性用途 | 注意点 |
|---|---|---|
| SCHED_FIFO | 绑定高性能核心，确保硬实时低延迟 | 避免低优先级线程饿死 |
| SCHED_RR | 固定核心，减少软实时任务切换 | 时间片切换可能受核心负载影响 |
| SCHED_OTHER | 优化缓存局部性，提升普通任务性能 | 动态调度可能削弱亲和性效果 |
✅ 优点
- 提高缓存效率，减少跨核心迁移。
- 增强实时任务确定性。
- 隔离任务，降低干扰。
🚫 局限性
- 绑定单一核心可能降低多核利用率。
- 配置不当可能导致负载不均。
- 不适合频繁迁移的动态任务。