前言

https://www.cnblogs.com/studywithallofyou/p/17435497.html

https://www.cnblogs.com/studywithallofyou/p/16695550.html

上面的文章提到了一些相关的知识,本篇单独针对CPU进行详细讲解。

CPU构造

CPU Central Processing Unit CPU Package

这个一般指的是整个CPU,包括包装运行单元,控制单元,缓冲等。

比如下面Intel 80486DX2正反面

正面是一个金属壳,用于散热

反面是很多针脚,用于传递数据



CPU Socket CPU插槽

这个就是指主板上有几个可以插CPU的地方,比如下面,就有两个

Non-uniform memory access NUMA Node

为了处理多CPU访问内存的问题,提出了NUMA架构,就是把不同的CPU做区分,分配不同的内存通道。Node访问自己所属的内存(也叫local)速度比较快,访问另一个Node的内存相对就慢一些。

正常情况NUMA Node与CPU Socket数量是一致的,一个插槽上插一个CPU,一个CPU分配一个NUMA Node。不过也有不一致的情况。

UMA

计算机一开始的架构是UMA:多个Processor使用同一个bus总线访问内存,大家是平等的。后来随着CPU核心增多,总线成为了瓶颈,就把Processor分组,各自访问一块内存,变成了NUMA(非一致性内存访问)。

NUMA与MySQL

Linux默认会启用NUMA,让程序尽可能申请local内存,如果超过了local内存,就会频繁的swap。

如果是占用内存比较大的程序,需要确保开启NUMA后,local内存足够,不然会导致性能抖动或者下降。

如果MySQL使用内存大于其占用的Node的解决方案:

  • 设置绑定策略,让MySQL可以从使用所有内存
  • MySQL也有相关配置,应对这个场景。需要确认使用版本是否有该功能,如果没有,需要下载最新的,或者编译对应版本,在编译是开启对NUMA的支持。

Processor Die CPU Die 处理器芯片

Die就是指从晶圆上切下来的一个个小方块,后续通过光刻机,刻上晶体管,形成core。

一个Die上可以拥有多个core。

Processor core

Processor core是一个独立的单元,可以与其他core并行运算。

Integrated Circuit IC 集成电路

一个或多个Die加上一些缓存、集成显卡组成一块集成电路

Printed Circuit Board PCB 印刷电路板

集成电路被安装在印刷电路版上。印刷电路板和外壳等组成一块CPU。

如下图,这是一块CPU,外面绿色的是印刷电路板,中间两个突起的方块是Die,一个Die有两个Core,那么这个CPU就是双核四核心(我们经常说的)。

一个Die打开如下图,中间分开,上下对称,用晶体管实现了两个core

总结

由于CPU的设计,对不同资源做了区分,所以在高性能程序开发中,需要配置,保证最大化利用系统资源。

让一个进程绑定在同一个core或者同一个Node下的core上,保证CPU缓存命中率,避免使用remote memory,避免上下文切换。

具体使用思路:把需要高性能运行的进程绑定到一个(一组core)上,把其他进程绑定到其他core上,避免其他进程在高性能进程占用的core上运行,使得高性能进程绑定的core只运行一个进程,避免其他进程打扰,避免缓存丢失,避免上下文切换,提高性能。

https://en.wikipedia.org/wiki/Central_processing_unit

https://www.cc.ntu.edu.tw/chinese/epaper/0015/20101220_1508.htm

https://superuser.com/questions/324284/what-is-meant-by-the-terms-cpu-core-die-and-package

https://en.wikipedia.org/wiki/Die_(integrated_circuit)

查看cpu信息

lscpu
Architecture: x86_64
CPU op-mode(s): 32-bit, 64-bit
Byte Order: Little Endian
CPU(s): 12 core个数
On-line CPU(s) list: 0-11 在线core个数
Thread(s) per core: 1 每个物理core可以有几个thread。是否可以多个任务并发进行。逻辑核。用指令把一个物理core再分成两个或多个并发运行,提高使用率。
Core(s) per socket: 6 每个插槽上的cpu有几个core
Socket(s): 2 有几个插槽,主板上插了几块cpu
NUMA node(s): 2 有几个node,一般一个socket分成一个node
Vendor ID: GenuineIntel
CPU family: 6
Model: 45
Stepping: 7
CPU MHz: 1200.000
BogoMIPS: 3999.45
Virtualization: VT-x
L1d cache: 32K
L1i cache: 32K
L2 cache: 256K
L3 cache: 15360K
NUMA node0 CPU(s): 0-5 每个node上core编号
NUMA node1 CPU(s): 6-11

查看numa内存分配

numactl --hardware
available: 2 nodes (0-1) 两个noma node,0和1
node 0 cpus: 0 1 2 3 4 5 node0包含0 1 2 3 4 5core
node 0 size: 8162 MB node0内存local内存大小
node 0 free: 1855 MB
node 1 cpus: 6 7 8 9 10 11
node 1 size: 8192 MB
node 1 free: 4611 MB
node distances: node和local内存/remote内存距离关系
node 0 1
0: 10 20 node0访问node0的内存是10,访问node1的内存是20(性能下降一倍)
1: 20 10 node1访问node0的内存是20,访问node1的内存是10

libc

获取系统CPU核心数

sysconf

       #include <unistd.h>

       long sysconf(int name);
- _SC_NPROCESSORS_CONF
The number of processors configured. See also
get_nprocs_conf(3). - _SC_NPROCESSORS_ONLN
The number of processors currently online (available).
See also get_nprocs(3).

一个是获取全部的CPU核心数,一个是获取可用的(online)核心数。也有专门的APIget_nprocs_conf和get_nprocs。

https://man7.org/linux/man-pages/man3/sysconf.3.html

get_nprocs get_nprocs_conf

       #include <sys/sysinfo.h>

       int get_nprocs(void);
int get_nprocs_conf(void);

https://man7.org/linux/man-pages/man3/get_nprocs_conf.3.html

mask CPU核心表示方法

linux用位掩码(bitmask)表示每个core

0001 第一个core[core0](core编号从0开始)

0011 第一个和第二个core[core0 core1]

1000 0001 第一个和第八个core[core0 core7]

动态申请CPU core个数

cpu_set_t *CPU_ALLOC(int num_cpus);
Allocate a CPU set large enough to hold CPUs in the range 0 to num_cpus-1.
申请保存指定cpu core个数(num_cpus)的mask空间。 size_t CPU_ALLOC_SIZE(int num_cpus);
Return the size in bytes of the CPU set that would be needed to hold CPUs in the range 0 to num_cpus-1. This macro provides the value that can be used for the setsize argument in the CPU_*_S() macros
计算指定cpu core个数(num_cpus)的mask的长度。 void CPU_FREE(cpu_set_t *set);
Free a CPU set previously allocated by CPU_ALLOC().

保存core mask的结构体cpu_set_t默认是unsigned long,有128个,可以表示1024个core。正常情况足够了,如果core大于1024,需要动态申请。具体系统的core数量,通过上面的api获取。CPU_ALLOC与CPU_ALLOC_SIZE中的参数num_cpus必须一致,不然在后续使用中不匹配,导致报错。

获取和设置cpu亲缘性

#include <sched.h>

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);

如果pid为0,就表示当前进程。

获取cpu亲缘性

    cpu_set_t cpuset;
CPU_ZERO(&cpuset);
sched_getaffinity(0, sizeof(cpuset), &cpuset);

cpuset中保存了当前进程使用的cpu core。

设置cpu亲缘性

    cpu_set_t set;
CPU_ZERO(&set); //把core0和core2绑定到当前进程
CPU_SET(0, &set);
CPU_SET(2, &set);
sched_setaffinity(0, sizeof(set), &set);

https://man7.org/linux/man-pages/man2/sched_setaffinity.2.html

https://man7.org/linux/man-pages/man3/CPU_COUNT.3.html

https://linux.die.net/man/3/cpu_set

https://linux.die.net/man/7/cpuset

taskset

       #启动一个程序,并且绑定到mask指定的core上
taskset [options] mask command [argument...] #不加mask,表示获取pid指定程序的mask;增加mask,表示设置pid指定程序的mask
taskset [options] -p [mask] pid #mask,如果不特殊说明,都是16进制,--cpu-list按照core编号指定,如下都是正确的
0x00000001
is processor #0, 0x00000003
is processors #0 and #1, FFFFFFFF
is processors #0 through #31, 0x32
is processors #1, #4, and #5, --cpu-list 0-2,6
is processors #0, #1, #2, and #6. --cpu-list 0-10:2
is processors #0, #2, #4, #6, #8 and #10. The suffix ":N"
specifies stride in the range, for example 0-10:3 is
interpreted as 0,3,6,9 list.

获取mask

taskset -p 15948
pid 15948's current affinity mask: 2

为启动进程设置mask

taskset -c 0 ls

为指定进程id设置mask

taskset -pc 0,1,2 15948

https://www.man7.org/linux/man-pages/man1/taskset.1.html

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