NUMA体系结构详解

1. NUMA的几个概念（Node，socket，core，thread）

对于socket，core和thread会有不少文章介绍，这里简单说一下，具体参见下图：

一句话总结：socket就是主板上的CPU插槽; Core就是socket里独立的一组程序执行的硬件单元，比如寄存器，计算单元等; Thread：就是超线程hyperthread的概念，逻辑的执行单元，独立的执行上下文，但是共享core内的寄存器和计算单元。

NUMA体系结构中多了Node的概念，这个概念其实是用来解决core的分组的问题，具体参见下图来理解（图中的OS CPU可以理解thread，那么core就没有在图中画出），从图中可以看出每个Socket里有两个node，共有4个socket，每个 socket 2个node，每个node中有8个thread，总共4（Socket）× 2（Node）× 8 （4core × 2 Thread） = 64个thread。

另外每个node有自己的内部CPU，总线和内存，同时还可以访问其他node内的内存，NUMA的最大的优势就是可以方便的增加CPU的数量，因为 Node内有自己内部总线，所以增加CPU数量可以通过增加Node的数目来实现，如果单纯的增加CPU的数量，会对总线造成很大的压力，所以UMA结构 不可能支持很多的核。

《此图出自：NUMA Best Practices for Dell PowerEdge 12th Generation Servers》

根据上面提到的，由于每个node内部有自己的CPU总线和内存，所以如果一个虚拟机的vCPU跨不同的Node的话，就会导致一个node中的CPU去 访问另外一个node中的内存的情况，这就导致内存访问延迟的增加。在有些特殊场景下，比如NFV环境中，对性能有比较高的要求，就非常需要同一个虚拟机 的vCPU尽量被分配到同一个Node中的pCPU上，所以在OpenStack的Kilo版本中增加了基于NUMA感知的虚拟机调度的特性。

2. 如何查看机器的NUMA拓扑结构

比较常用的命令就是lscpu，具体输出如下：

1. dylan@hp3000:~$ lscpu
2. Architecture: x86_64
3. CPU op-mode(s): 32-bit, 64-bit
4. Byte Order: Little Endian
5. CPU(s): 48 //共有48个逻辑CPU（threads）
6. On-line CPU(s) list: 0-47
7. Thread(s) per core: 2 //每个core有2个threads
8. Core(s) per socket: 6 //每个socket有6个cores
9. Socket(s): 4 //共有4个sockets
10. NUMA node(s): 4 //共有4个NUMA nodes
11. Vendor ID: GenuineIntel
12. CPU family: 6
13. Model: 45
14. Stepping: 7
15. CPU MHz: 1200.000
16. BogoMIPS: 4790.83
17. Virtualization: VT-x
18. L1d cache: 32K //L1 data cache 32k
19. L1i cache: 32K //L1 instruction cache 32k （牛x机器表现，冯诺依曼+哈弗体系结构）
20. L2 cache: 256K
21. L3 cache: 15360K
22. NUMA node0 CPU(s): 0-5,24-29
23. NUMA node1 CPU(s): 6-11,30-35
24. NUMA node2 CPU(s): 12-17,36-41
25. NUMA node3 CPU(s): 18-23,42-47

从上图输出，可以看出当前机器有4个sockets，每个 sockets包含1个numa node，每个numa node中有6个cores，每个cores包含2个thread，所以总的threads数 量=4（sockets）×1（node）×6（cores）×2（threads）=48.

另外，也可以通过下面的脚本来打印出当前机器的socket，core和thread的数量。

1. #!/bin/bash
2. # Simple print cpu topology
3. # Author: kodango
4. function get_nr_processor()
5. {
6. grep '^processor' /proc/cpuinfo | wc -l
7. }
8. function get_nr_socket()
9. {
10. grep 'physical id' /proc/cpuinfo | awk -F: '{
11. print $2 | "sort -un"}' | wc -l
12. }
13. function get_nr_siblings()
14. {
15. grep 'siblings' /proc/cpuinfo | awk -F: '{
16. print $2 | "sort -un"}'
17. }
18. function get_nr_cores_of_socket()
19. {
20. grep 'cpu cores' /proc/cpuinfo | awk -F: '{
21. print $2 | "sort -un"}'
22. }
23. echo '===== CPU Topology Table ====='
24. echo
25. echo '+--------------+---------+-----------+'
26. echo '| Processor ID | Core ID | Socket ID |'
27. echo '+--------------+---------+-----------+'
28. while read line; do
29. if [ -z "$line" ]; then
30. printf '| %-12s | %-7s | %-9s |\n' $p_id $c_id $s_id
31. echo '+--------------+---------+-----------+'
32. continue
33. fi
34. if echo "$line" | grep -q "^processor"; then
35. p_id=`echo "$line" | awk -F: '{print $2}' | tr -d ' '`
36. fi
37. if echo "$line" | grep -q "^core id"; then
38. c_id=`echo "$line" | awk -F: '{print $2}' | tr -d ' '`
39. fi
40. if echo "$line" | grep -q "^physical id"; then
41. s_id=`echo "$line" | awk -F: '{print $2}' | tr -d ' '`
42. fi
43. done < /proc/cpuinfo
44. echo
45. awk -F: '{
46. if ($1 ~ /processor/) {
47. gsub(/ /,"",$2);
48. p_id=$2;
49. } else if ($1 ~ /physical id/){
50. gsub(/ /,"",$2);
51. s_id=$2;
52. arr[s_id]=arr[s_id] " " p_id
53. }
54. }
55. END{
56. for (i in arr)
57. printf "Socket %s:%s\n", i, arr[i];
58. }' /proc/cpuinfo
59. echo
60. echo '===== CPU Info Summary ====='
61. echo
62. nr_processor=`get_nr_processor`
63. echo "Logical processors: $nr_processor"
64. nr_socket=`get_nr_socket`
65. echo "Physical socket: $nr_socket"
66. nr_siblings=`get_nr_siblings`
67. echo "Siblings in one socket: $nr_siblings"
68. nr_cores=`get_nr_cores_of_socket`
69. echo "Cores in one socket: $nr_cores"
70. let nr_cores*=nr_socket
71. echo "Cores in total: $nr_cores"
72. if [ "$nr_cores" = "$nr_processor" ]; then
73. echo "Hyper-Threading: off"
74. else
75. echo "Hyper-Threading: on"
76. fi
77. echo
78. echo '===== END ====='

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