Linux工具之numactl

  NUMA(Non-Uniform Memory Access)字面直译为“非一致性内存访问”，对于Linux内核来说最早出现在2.6.7版本上。这种特性对于当下大内存+多CPU为潮流的X86平台来说确实会有不少的性能提升，但相反的，如果配置不当的话，也是一个很大的坑。本文就从头开始说说Linux下关于CPU NUMA特性的配置和调优。
  最早Intel在Nehalem架构上实现了NUMA，取代了在此之前一直使用的FSB前端总线的架构，用以对抗AMD的HyperTransport技术。一方面这个架构的特点是内存控制器从传统的北桥中移到了CPU中，排除了商业战略方向的考虑之外，这样做的方法同样是为了实现NUMA。
  在SMP多CPU架构中，传统上多CPU对于内存的访问是总线方式。是总线就会存在资源争用和一致性问题，而且如果不断的增加CPU数量，总线的争用会愈演愈烈，这就体现在4核CPU的跑分性能达不到2核CPU的2倍，甚至1.5倍！理论上来说这种方式实现12core以上的CPU已经没有太大的意义。
  Intel的NUMA解决方案，Litrin始终认为它来自本家的安藤。他的模型有点类似于MapReduce。放弃总线的访问方式，将CPU划分到多个Node中，每个node有自己独立的内存空间。各个node之间通过高速互联通讯，通讯通道被成为QuickPath Interconnect即QPI。
  这个架构带来的问题也很明显，如果一个进程所需的内存超过了node的边界，那就意味着需要通过QPI获取另一node中的资源，尽管QPI的理论带宽远高于传统的FSB，比如当下流行的内存数据库，在这种情况下就很被动了。
  Linux提供了一个一个手工调优的命令numactl（默认不安装），首先你可以通过它查看系统的numa状态：

root@dc-skyeye:/usr/bin# numactl --hardware
available: 2 nodes (0-1)
node 0 cpus: 0 1 2 3 4 5 6 7 16 17 18 19 20 21 22 23
node 0 size: 131037 MB
node 0 free: 3019 MB
node 1 cpus: 8 9 10 11 12 13 14 15 24 25 26 27 28 29 30 31
node 1 size: 131071 MB
node 1 free: 9799 MB
node distances:
node 0 1
 0: 10 20
 1: 20 10

  此系统共有2个node，各领取16个CPU和128G内存。
  这里假设我要执行一个java param命令，此命令需要120G内存，一个python param命令，需要16G内存。最好的优化方案时python在node0中执行，而java在node1中执行，那命令是：

# numactl --cpubind=0 --membind=0 python param
# numactl --cpubind=1 --membind=1 java param

  当然，也可以自找没趣

# numactl --cpubind=0 --membind=0,1 java param

  对于一口气吃掉内存大半的MongoDB，我的配置是：

# numactl --interleave=all mongod -f /etc/mongod.conf

  即分配所有的node供其使用，这也是官方推荐的用法。
  通过numastat命令可以查看numa状态

# numastat
 node0 node1
numa_hit 1775216830 6808979012
numa_miss 4091495 494235148
numa_foreign 494235148 4091495
interleave_hit 52909 53004
local_node 1775205816 6808927908
other_node 4102509 494286252

  other_node过高意味着需要重新规划numa.
 
 

NUNA与SMP

  NUMA(Non-Uniform Memory Access，非一致性内存访问)和SMP(Symmetric Multi-Processor，对称多处理器系统)是两种不同的CPU硬件体系架构。
  SMP的主要特征是共享，所有的CPU共享使用全部资源，例如内存、总线和I/O，多个CPU对称工作，彼此之间没有主次之分，平等地访问共享的资源，这样势必引入资源的竞争问题，从而导致它的扩展内力非常有限。
  NUMA技术将CPU划分成不同的组（Node)，每个Node由多个CPU组成，并且有独立的本地内存、I/O等资源。Node之间通过互联模块连接和沟通，因此除了本地内存外，每个CPU仍可以访问远端Node的内存，只不过效率会比访问本地内存差一些，我们用Node之间的距离（Distance，抽象的概念）来定义各个Node之间互访资源的开销。

Node->Socket->Core->Processor

随着多核技术的发展，将多个CPU封装在一起，这个封装被称为插槽Socket；Core是socket上独立的硬件单元；通过intel的超线程HT技术进一步提升CPU的处理能力，OS看到的逻辑上的核数Processor。

socket = node

socket是物理概念，指的是主板上CPU插槽；node是逻辑概念，对应于socket。

core = 物理CPU

core是物理概念，一个独立的硬件执行单元，对应于物理CPU；

thread = 逻辑CPU = Processor

thread是逻辑CPU，也就是Processor。

Reference:
http://www.litrin.net/2017/10/31/%E6%B7%B1%E6%8C%96numa/
http://www.litrin.net/2017/08/03/numa%E5%AF%B9%E6%80%A7%E8%83%BD%E7%9A%84%E5%BD%B1%E5%93%8D/
https://blog.csdn.net/ustc_dylan/article/details/45667227
http://kodango.com/cpu-topology
https://blog.csdn.net/envy13/article/details/80241886