【genius_platform软件平台开发】第十五讲：Linux和Winodws获取CPU核数、进程线程绑定特定CPU详解

1. 概述

• 现在大家使用的基本上都是多核cpu，一般是4核的。平时应用程序在运行时都是由操作系统管理的。操作系统对应用进程进行调度，使其在不同的核上轮番运行。

• 对于普通的应用，操作系统的默认调度机制是没有问题的。但是，当某个进程需要较高的运行效率时，就有必要考虑将其绑定到单独的核上运行，以减小由于在不同的核上调度造成的开销。

• 把某个进程/线程绑定到特定的cpu核上后，该进程就会一直在此核上运行，不会再被操作系统调度到其他核上。但绑定的这个核上还是可能会被调度运行其他应用程序的。

1.1 物理CPU

• 实际Server中插槽上的CPU个数
  物理cpu数量，可以数不重复的 physical id 有几个

1.2 逻辑CPU

• Linux用户对 /proc/cpuinfo 这个文件肯定不陌生. 它是用来存储cpu硬件信息的
  信息内容分别列出了processor 0 – n 的规格。这里需要注意，如果你认为n就是真实的cpu数的话, 就大错特错了
  一般情况，我们认为一颗cpu可以有多核，加上intel的超线程技术(HT), 可以在逻辑上再分一倍数量的cpu core出来
  逻辑CPU数量=物理cpu数量 x cpu cores 这个规格值 x 2(如果支持并开启ht)
  备注一下：Linux下top查看的CPU也是逻辑CPU个数

1.3 CPU核数

• 一块CPU上面能处理数据的芯片组的数量、比如现在的i5 760,是双核心四线程的CPU、而 i5 2250 是四核心四线程的CPU
  一般来说，物理CPU个数×每颗核数就应该等于逻辑CPU的个数，如果不相等的话，则表示服务器的CPU支持超线程技术

2. 查看CPU信息（cat /proc/cpuinfo）

• 当我们 cat /proc/cpuinfo 时、
  具有相同core id的CPU是同一个core的超线程
  具有相同physical id的CPU是同一个CPU封装的线程或核心

★ 2.1.1 查看物理CPU的个数（cat /proc/cpuinfo |grep “physical id”|sort |uniq|wc -l）

~$ cat /proc/cpuinfo |grep "physical id"|sort |uniq|wc -l
~$ 2

★ 2.1.2 查看逻辑CPU的个数（cat /proc/cpuinfo |grep “processor”|wc -l）

~$ cat /proc/cpuinfo |grep "processor"|wc -l
~$ 8

★ 2.1.3 查看CPU是几核（cat /proc/cpuinfo |grep “cores”|uniq）

~$ cat /proc/cpuinfo |grep "cores"|uniq
~$ 4

我这里应该是2个Cpu,每个Cpu有4个core,所以逻辑CPU是8

3. 进程线程cpu绑定

• 目前windows和linux都支持对多核cpu进行调度管理，软件开发在多核环境下的核心是多线程开发。这个多线程不仅代表了软件实现上多线程，要求在硬件上也采用多线程技术。多核操作系统的关注点在于进程的分配和调度。进程的分配将进程分配到合理的物理核上，因为不同的核在共享性和历史运行情况都是不同的。有的物理核能够共享二级cache，而有的却是独立的。如果将有数据共享的进程分配给有共享二级cache的核上，将大大提升性能；反之，就有可能影响性能。

• 进程调度会涉及实时性、负载均衡等问题，目前研究的热点问题主要集中在以下方面：
  ★ 程序的并行开发设计 ※
  ★ 多进程的时间相关性
  ★ 任务的分配和调度
  ★ 缓存的错误共享
  ★ 一致性访问问题
  ★ 进程间通信
  ★ 多处理器核内部资源竞争

• 多进程和多线程在cpu核上运行时情况如下：
  每个 CPU 核运行一个进程的时候，由于每个进程的资源都独立，所以 CPU 核心之间切换的时候无需考虑上下文
  每个 CPU 核运行一个线程的时候，有时线程之间需要共享资源，所以这些资源必须从 CPU 的一个核心被复制到另外一个核心，这会造成额外的开销

★ 3.1 进程绑定cpu核

• 3.1.1 sysconf获取cpu核心数

使用系统调用sysconf获取cpu核心数：

#include 

int sysconf(_SC_NPROCESSORS_CONF);/* 返回系统可以使用的核数，但是其值会包括系统中禁用的核的数目，因 此该值并不代表当前系统中可用的核数 */
int sysconf(_SC_NPROCESSORS_ONLN);/* 返回值真正的代表了系统当前可用的核数 */

/* 以下两个函数与上述类似 */
#include 

int get_nprocs_conf (void);/* 可用核数 */
int get_nprocs (void);/* 真正的反映了当前可用核数 */

• 3.1.2 taskset指令查看、设置进程特定CPU运行
• 获取进程pid

~$ ps
  PID TTY          TIME CMD
 7083 pts/12   00:00:00 bash
 2726 pts/12   00:00:00 updateApp
 8705 pts/12   00:00:00 ps

• 查看进程当前运行在哪个cpu上

~$ taskset -p 2726
pid 2726's current affinity mask: 3

显示的十进制数字3转换为2进制为最低两个是1，每个1对应一个cpu，所以进程运行在2个cpu上。

• 指定进程运行在cpu1上

-> % taskset -pc 1 2726
pid 2726's current affinity list: 0,1
pid 2726's new affinity list: 1

注意，cpu的标号是从0开始的，所以cpu1表示第二个cpu（第一个cpu的标号是0）。
至此，就把应用程序绑定到了cpu1上运行，查看如下：

~$ taskset -p 2726
pid 2726's current affinity mask: 2

• 3.1.3 启动程序时绑定cpu

• 启动时绑定到第二个cpu

~$ taskset -c 1 ./dgram_servr&
[1] 3011

• 查看确认绑定情况

-> % taskset -p 3011
pid 3011's current affinity mask: 2

• 3.1.4 sched_setaffinity系统调用绑定特定CPU

• sched_setaffinity可以将某个进程绑定到一个特定的CPU。

#define _GNU_SOURCE             /* See feature_test_macros(7) */
#include 

/* 设置进程号为pid的进程运行在mask所设定的CPU上
 * 第二个参数cpusetsize是mask所指定的数的长度
 * 通常设定为sizeof(cpu_set_t)

 * 如果pid的值为0,则表示指定的是当前进程 
 */
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);/* 获得pid所指示的进程的CPU位掩码,并将该掩码返回到mask所指向的结构中 */

• 实例

#include
#include
#include
#include
#include

#define __USE_GNU
#include
#include
#include
#include
#define THREAD_MAX_NUM 200  //1个CPU内的最多进程数

int num=0;  //cpu中核数
void* threadFun(void* arg)  //arg  传递线程标号（自己定义）
{
         cpu_set_t mask;  //CPU核的集合
         cpu_set_t get;   //获取在集合中的CPU
         int *a = (int *)arg; 
         int i;

         printf("the thread is:%d\n",*a);  //显示是第几个线程
         CPU_ZERO(&mask);    //置空
         CPU_SET(*a,&mask);   //设置亲和力值
         if (sched_setaffinity(0, sizeof(mask), &mask) == -1)//设置线程CPU亲和力
         {
                   printf("warning: could not set CPU affinity, continuing...\n");
         }

           CPU_ZERO(&get);
           if (sched_getaffinity(0, sizeof(get), &get) == -1)//获取线程CPU亲和力
           {
                    printf("warning: cound not get thread affinity, continuing...\n");
           }
           for (i = 0; i < num; i++)
           {
                    if (CPU_ISSET(i, &get))//判断线程与哪个CPU有亲和力
                    {
                             printf("this thread %d is running processor : %d\n", i,i);
                    }
           }

         return NULL;
}

int main(int argc, char* argv[])
{
         int tid[THREAD_MAX_NUM];
         int i;
         pthread_t thread[THREAD_MAX_NUM];

         num = sysconf(_SC_NPROCESSORS_CONF);  //获取核数
         if (num > THREAD_MAX_NUM) {
            printf("num of cores[%d] is bigger than THREAD_MAX_NUM[%d]!\n", num, THREAD_MAX_NUM);
            return -1;
         }
         printf("system has %i processor(s). \n", num);

         for(i=0;i<num;i++)
         {
                   tid[i] = i;  //每个线程必须有个tid[i]
                   pthread_create(&thread[i],NULL,threadFun,(void*)&tid[i]);
         }
         for(i=0; i< num; i++)
         {
                   pthread_join(thread[i],NULL);//等待所有的线程结束，线程为死循环所以CTRL+C结束
         }
         return 0;
}

• 运行结果

-> % ./a.out
system has 2 processor(s). 
the thread is:0
the thread is:1
this thread 0 is running processor : 0
this thread 1 is running processor : 1

★ 3.2 线程绑定到cpu核

• 3.2.1 pthread_setaffinity_np函数

• 绑定线程到cpu核上使用pthread_setaffinity_np函数，其原型定义如下：

#define _GNU_SOURCE             /* See feature_test_macros(7) */
#include 

int pthread_setaffinity_np(pthread_t thread, size_t cpusetsize, const cpu_set_t *cpuset);
int pthread_getaffinity_np(pthread_t thread, size_t cpusetsize, cpu_set_t *cpuset);

Compile and link with -pthread.

• 各参数的意义与sched_setaffinity相似。

• 实例

#define _GNU_SOURCE
#include 
#include 
#include 
#include 

#define handle_error_en(en, msg) \
        do { errno = en; perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while (0)

int
main(int argc, char *argv[])
{
    int s, j;
    cpu_set_t cpuset;
    pthread_t thread;

    thread = pthread_self();

    /* Set affinity mask to include CPUs 0 to 7 */

    CPU_ZERO(&cpuset);
    for (j = 0; j < 8; j++)
        CPU_SET(j, &cpuset);

    s = pthread_setaffinity_np(thread, sizeof(cpu_set_t), &cpuset);
    if (s != 0)
        handle_error_en(s, "pthread_setaffinity_np");

    /* Check the actual affinity mask assigned to the thread */

    s = pthread_getaffinity_np(thread, sizeof(cpu_set_t), &cpuset);
    if (s != 0)
        handle_error_en(s, "pthread_getaffinity_np");

    printf("Set returned by pthread_getaffinity_np() contained:\n");
    for (j = 0; j < CPU_SETSIZE; j++)
        if (CPU_ISSET(j, &cpuset))
            printf("    CPU %d\n", j);

    exit(EXIT_SUCCESS);
}

• 运行结果

~$ ./a.out 
Set returned by pthread_getaffinity_np() contained:
    CPU 0
    CPU 1

4. linux、winodws系统获取CPU信息API

• 在Windows平台下，我们可以使用GetSystemInfo( )这个函数来获取当前系统的一些软硬件信息。其中有一项即是当前机器中处理器的核数。通过如下语句即可获得所要的信息：

SYSTEM_INFO info;
GetSystemInfo(&info);
return info.dwNumberOfProcessors;

• 在Linux平台下，我们可以使用sysconf()或者get_nprocs()来获取处理器核数。下面分别介绍：
  sysconf( )有unistd.h提供，要使用该函数需要#include，
  sysconf(_SC_NPROCESSORS_CONF)返回系统可以使用的核数，但是其值会包括系统中禁用的核的数目，因此该值并不代表当前系统中可用的核数。
  而sysconf(_SC_NPROCESSORS_ONLN)的返回值真正的代表了系统 当前可用的核数。

• GNU C库提供了另外一种获取机器可用核数的方法。函数intget_nprocs_conf (void)，int get_nprocs (void) 在 sys/sysinfo.h中定义，这两个函数可用获取机器的核数。get_nprocs_conf (void)的返回值与 sysconf(_SC_NPROCESSORS_CONF)类似，并不真正表名当前可用核数；而get_nprocs (void)的返回值与 sysconf(_SC_NPROCESSORS_ONLN)类似，真正的反映了当前可用核数。

★ 4.1 linux获取cpu核数

// linux获取CPU个数.cpp : Defines the entry point for the console application.
//


#include
#include

#include	// sysconf( )
#include // 
int main()
{
    //usleep(10 * 1000);

    int cpu_num;
    cpu_num = sysconf(_SC_NPROCESSORS_CONF);
    printf("_SC_NPROCESSORS_CONF=%d\n", cpu_num);

    cpu_num = sysconf(_SC_NPROCESSORS_ONLN);
    printf("_SC_NPROCESSORS_ONLN=%d\n", cpu_num);

    cpu_num = get_nprocs();
    printf("get_nprocs=%d\n", cpu_num);

    cpu_num = get_nprocs_conf();
    printf("get_nprocs_conf=%d\n", cpu_num);

    return 0;
}
/*
* - _SC_NPROCESSORS_CONF
* The number of processors configured.
*
* - _SC_NPROCESSORS_ONLN
* The number of processors currently online (available).
*/

★ 4.2 Windows获取CPU数量

// 获取系统CPU 个数.cpp : Defines the entry point for the console application.
//

#include "stdafx.h"
#include 

typedef void (WINAPI *PGNSI)(LPSYSTEM_INFO);
DWORD GetNumberOfProcessors()
{
    SYSTEM_INFO si;

    // Call GetNativeSystemInfo if supported or GetSystemInfo otherwise.
    PGNSI pfnGNSI = (PGNSI)GetProcAddress(GetModuleHandle(_T("kernel32.dll")), "GetNativeSystemInfo");
    if (pfnGNSI)
    {
        pfnGNSI(&si);
    }
    else
    {
        GetSystemInfo(&si);
    }
    return si.dwNumberOfProcessors;
}

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
    int nCpuSum = GetNumberOfProcessors();
    printf("CPU总数未=[%d]\n", nCpuSum);

    system("pause");

	return 0;
}