c++ cpu亲缘性

CPU亲缘性（CPU Affinity）是指将线程或进程固定到特定的CPU核心上运行的能力。这种做法可以减少上下文切换，提高缓存利用率，从而提升性能。

原理

• 缓存局部性: 当线程在同一个CPU上运行时，它可以利用该CPU的缓存，减少内存访问延迟。频繁切换CPU会导致缓存失效，从而影响性能。
• 减少上下文切换: 通过将线程绑定到特定CPU，可以减少操作系统在不同核心之间频繁调度的情况。
• 热插拔支持: 在支持热插拔的系统中，CPU亲缘性可以确保线程不会在不必要的情况下迁移到新加入的CPU上。

实现

在不同的平台上设置CPU亲缘性的方法可能有所不同。在Linux中，使用pthread_setaffinity_np函数，而在Windows中，使用SetThreadAffinityMask函数。

linux下实现（c++）

以下是一个使用POSIX线程（pthread）库在Linux上设置CPU亲缘性的示例代码：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <pthread.h>
#include <sched.h>
#include <unistd.h>

void thread_function(int cpu_id) {
    // 设置线程亲缘性
    cpu_set_t cpuset;
    CPU_ZERO(&cpuset); // 清空CPU集
    CPU_SET(cpu_id, &cpuset); // 将目标CPU添加到CPU集

    // 获取当前线程ID
    pthread_t current_thread = pthread_self();

    // 设置亲缘性
    if (0 != pthread_setaffinity_np(current_thread, sizeof(cpu_set_t), &cpuset)) {
        std::cerr << "Error setting CPU affinity\n";
        return;
    }

    // 线程执行的任务
    std::cout << "Thread running on CPU " << cpu_id << std::endl;
    
    // 模拟工作
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        std::cout << "Thread " << cpu_id << " working...\n";
        usleep(500000); // 休眠500毫秒
    }
}

int main() {
    const int num_threads = 4;
    std::thread threads[num_threads];

    // 创建多个线程，每个线程绑定到不同的CPU
    for (int i = 0; i < num_threads; ++i) {
        threads[i] = std::thread(thread_function, i);
    }

    // 等待所有线程完成
    for (auto& th : threads) {
        th.join();
    }

    return 0;
}

代码解析

1. 头文件: 引入了所需的头文件，包括<pthread.h>和<sched.h>，用于线程和CPU调度。
2. 线程函数:
   • 创建并清空一个cpu_set_t类型的变量。
   • 使用CPU_SET宏将目标CPU添加到CPU集。
   • 获取当前线程的ID，并调用pthread_setaffinity_np设置线程亲缘性。
   • 在控制台输出当前线程运行的CPU ID。
3. 主函数: 创建多个线程，每个线程都绑定到不同的CPU上。

windows下实现（c++）

在Windows上，设置CPU亲缘性的方法如下：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <windows.h>

void thread_function(int cpu_id) {
    // 设置线程亲缘性
    HANDLE current_thread = GetCurrentThread();
    DWORD_PTR mask = 1 << cpu_id;

    if (0 == SetThreadAffinityMask(current_thread, mask)) {
        std::cerr << "Error setting CPU affinity\n";
        return;
    }

    std::cout << "Thread running on CPU " << cpu_id << std::endl;

    // 模拟工作
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        std::cout << "Thread " << cpu_id << " working...\n";
        Sleep(500); // 休眠500毫秒
    }
}

int main() {
    const int num_threads = 4;
    std::thread threads[num_threads];

    // 创建多个线程，每个线程绑定到不同的CPU
    for (int i = 0; i < num_threads; ++i) {
        threads[i] = std::thread(thread_function, i);
    }

    // 等待所有线程完成
    for (auto& th : threads) {
        th.join();
    }

    return 0;
}

总结

CPU亲缘性是优化多线程程序性能的重要手段，能够提高缓存效率并减少上下文切换。根据操作系统的不同，使用不同的方法来实现亲缘性。在Linux上使用pthread_setaffinity_np，而在Windows上使用SetThreadAffinityMask。通过合理设置线程的CPU亲缘性，可以显著提升程序的性能。