CPU 亲和性

beyes

CPU_ZERO

什么是 CPU 的亲和性？
CPU 亲和性（affinity） 就是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。

CPU 的亲和性常用在多 CPU 或 多核的编程中。

在多核编程里，有一个基本数据类型：
cpu_set_t
它表示一个 CPU 集的掩码。定义是这样的：

/* Data structure to describe CPU mask.  */
typedef struct
{
   __cpu_mask __bits[__CPU_SETSIZE / __NCPUBITS];
} cpu_set_t;

__cpu_mask 的定义为：

/* Type for array elements in 'cpu_set_t'.  */
typedef unsigned long int __cpu_mask;

所以 cpu_set_t 是个无符号长整型数组。
__CPU_SETSIZE 和 __NCPUBITS 在 32 位机上的定义为：

# define __CPU_SETSIZE  1024
# define __NCPUBITS     (8 * sizeof (__cpu_mask))

所以，最后知道 cpu_set_t 在 32 位机上实际上是一个有 32 个无符号长整型元素的数组。

CPU_ZERO 宏用来将 cpu_set_t 类型变量进行清零初始化。初始化清零，也就意味着此时不管哪个 CPU 都没有对进程/线程 具有亲和性。它的定义如下：

# define CPU_ZERO(cpusetp)       __CPU_ZERO_S (sizeof (cpu_set_t), cpusetp)

上面，cpusetp 是 cpu_set_t 类型的指针。sizeof(cpu_set_t) 在 32 位机里的大小为 128 个字节，即 32 x 4 = 128，其中一个长整型的大小为 4 个字节。
__CPU_ZERO_S 定义如下：

#  define __CPU_ZERO_S(setsize, cpusetp) \
do __builtin_memset (cpusetp, '\', setsize); while (0)

由上可见，这是对 32 个长整型数组空间进行清零。注意，cpu_set_t 最终还是定义为结构体类型，因为结构体类型更具有可移植性，在这里也可以看到有利于利用 memset 进行初始化数组空间。

那么，我们在 32 位机上到底是可以管理 32 个 CPU 还是 128 个还是 128 * 8 = 1024 个？从下面对 CPU_SET 宏的分析，我们可以知道答案是 1024 个！

beyes

CPU_SET 的也是个函数宏定义，它的原型是：

void CPU_SET(int cpu, cpu_set_t *set);

查看 seched.h 里的具体定义：

#define CPU_SET(cpu, cpusetp)   __CPU_SET_S (cpu, sizeof (cpu_set_t), cpusetp)

在 CPU_SET() 里，第 1 个参数表示第几个 cpu ，第 2 个参数是一个 cpu_set_t 类型指针。
在 __CPU_SET_S 里，第 2 个参数在 32 位机里，它为 128 。

下面进一步看 __CPU_SET_S 的定义：

# define __CPU_SET_S(cpu, setsize, cpusetp) \\
(__extension__                                                              \\
({ size_t __cpu = (cpu);                                                   \\
__cpu < 8 * (setsize)                                                   \\
? (((__cpu_mask *) ((cpusetp)->__bits))[__CPUELT (__cpu)]               \\
|= __CPUMASK (__cpu))                                                \\
: 0; }))

上面，setsize * 8 = 1024 ，也就是一个可以有 1024 个位来设置 1024 个 CPU 的掩码。宏中的第 2 条语句的定义的意思是，如果输入的 cpu 的值大于 1024，那么就设置第 1 个 CPU 的掩码(第 0 位)。

上面说过，cpu_set_t 实际上是一个只包含整型数组的结构体。所以，在 cpusetp->__bits (__bit 是数组名)前面加上 (__cpu_mask *) 进行类型转换(__cpu_mask 也是无符号整型)，说明这是一个无符号整型数组。

再看数组元素的下标的定义：

# define __CPUELT(cpu)  ((cpu) / __NCPUBITS)

从上面知道，__NCPUBITS 是 32 ，刚好是 4 个字节，为一个整型大小(实际上也就是无符号整型数组中的元素大小)。

这里假设输入参数 cpu 是 1，，那么 cpu / __NCPUBITS 为 0. 从((__cpu_mask *) ((cpusetp)->__bits))[__CPUELT (__cpu)]  知道，我们要设定 CPU 是在数组中的第一个元素里。__CPUMASK 的定义为：

# define __CPUMASK(cpu) ((__cpu_mask) 1 << ((cpu) % __NCPUBITS))

上面表示 1 向左移动 cpu % __NCPUBITS 位。然后，将这个位或起来(置位)。

所以，CPU_SET 中的第 1 个 参数表示的是第 X 个 CPU，而不是一共多少个 CPU 。

从下面的 C 代码也可以看到这一点：

#define __USE_GNU
#include <sched.h>
#include <stdio.h>

int main()
{
     cpu_set_t cpuset;
     cpu_set_t *cpusetp = &cpuset;
     int *p = (int *)cpusetp;
     
     CPU_ZERO (&cpuset);

     CPU_SET (0, &cpuset);
     printf ("%d\\n", p[0]);

     
     CPU_SET (1, &cpuset);
     printf ("%d\\n", p[0]);
     

     CPU_SET (2, &cpuset);
     printf ("%d\\n", p[0]);


     CPU_SET (3, &cpuset);
     printf ("%d\\n", p[0]);

     CPU_SET (256, &cpuset);
     printf ("%d\\n", p[8]);
     

     return (0);
}

编译方法：

gcc -g -D_GNU_SOURCE cpu_set_t.c -o cpu_set_t

运行与输出：

./cpu_set_t 1
3
7
15
1