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per-task affinity 是什么？

news 来源：原创 2025/6/18 8:05:40

Per-Task Affinity（任务级CPU亲和性）详解

Per-Task Affinity 是 Linux 调度器提供的一种机制，允许将单个任务（进程/线程）绑定到特定的 CPU 核心（或核心集合）上运行，从而优化性能、减少缓存失效或实现资源隔离。

1. 核心概念

(1) 基本作用

控制任务运行位置：强制任务只在指定的 CPU 核心上执行，避免被调度到其他核心。
减少迁移开销：避免跨核心迁移导致的 缓存失效（Cache Miss） 和 TLB 刷新，提升计算密集型任务的性能。
隔离干扰：防止高优先级任务抢占关键核心，或确保低延迟任务独占 CPU。

(2) 实现方式

cpu_allowed 掩码（bitmask）：
每个任务（task_struct）有一个 cpus_allowed 位图，标记允许运行的 CPU 核心。
例如：
- 0x1（二进制 0001）：仅允许在 CPU 0 运行。
- 0x7（二进制 0111）：允许在 CPU 0、1、2 运行。
调度器行为：
在 select_task_rq() 选择运行队列时，调度器会检查 cpus_allowed，确保任务只在合法 CPU 上运行。

2. 配置方法

(1) 命令行工具 `taskset`

# 启动新任务并绑定到 CPU 0 和 1
taskset -c 0,1 ./my_program# 修改已运行任务的亲和性（PID=1234 → 绑定到 CPU 2）
taskset -cp 2 1234# 查看任务的当前亲和性
taskset -p 1234

输出示例：

pid 1234's current affinity mask: 4  # 4 = 0b100（仅允许 CPU 2）

(2) 编程接口 `sched_setaffinity()`

#define _GNU_SOURCE
#include <sched.h>cpu_set_t set;
CPU_ZERO(&set);          // 清空掩码
CPU_SET(0, &set);        // 允许 CPU 0
CPU_SET(2, &set);        // 允许 CPU 2// 设置当前任务的亲和性
if (sched_setaffinity(0, sizeof(set), &set) == -1) {perror("sched_setaffinity failed");
}

3. 使用场景

(1) 高性能计算（HPC）

绑定计算线程到独立核心，避免上下文切换和缓存抖动。
```
# 让矩阵乘法任务独占 CPU 3
taskset -c 3 ./matrix_multiply
```

(2) 实时任务（Low-Latency）

确保关键任务（如网络包处理）不被迁移，减少延迟波动。

// 实时线程绑定到 CPU 5
CPU_SET(5, &set);
sched_setaffinity(0, sizeof(set), &set);

(3) 干扰隔离

防止 noisy neighbor（嘈杂邻居）问题：
将数据库进程绑定到一组核心，避免其他任务抢占资源。
```
# MySQL 仅使用 CPU 4-7
taskset -c 4-7 /usr/sbin/mysqld
```

4. 与 CGroup `cpuset` 的关系

特性	Per-Task Affinity	CGroup `cpuset`
作用范围	单个任务	一组任务（整个 cgroup）
优先级	必须服从 `cpuset` 约束	全局限制（可覆盖 affinity）
灵活性	允许动态调整	需修改 cgroup 配置
典型用途	精细化调优（如绑定线程）	资源隔离（如容器、虚拟机）

关键规则：
任务的最终可用 CPU = cpuset.cpus ∩ task_affinity（交集）。

如果 cpuset 只允许 CPU 0-3，而 affinity 设为 CPU 2-5 → 实际可用 CPU 2-3。
如果 affinity 完全超出 cpuset 范围（如 cpuset=0-1，affinity=2），则任务无法运行（返回 -EINVAL）。

5. 底层实现

(1) 内核数据结构

task_struct->cpus_allowed：存储任务的 CPU 亲和性掩码。
struct rq：每个 CPU 核心维护一个运行队列，调度器只从 cpus_allowed 允许的队列中选择任务。

(2) 调度逻辑

在 select_task_rq() 中，内核会调用 cpumask_intersects() 检查候选 CPU 是否在 cpus_allowed 内。
如果任务尝试迁移到非法 CPU，会被强制重新调度到合法核心。

6. 注意事项

不要过度绑定：
- 如果绑定的 CPU 已满负载，任务可能因无法迁移而饥饿。
NUMA 感知：
- 在 NUMA 系统中，跨节点绑定可能导致内存访问延迟升高（建议配合 numactl 使用）。
实时性任务：
- 对于 SCHED_FIFO/SCHED_RT 任务，需同时设置优先级和亲和性。

总结

Per-Task Affinity 是 Linux 调度器提供的细粒度 CPU 控制机制，适用于：

优化计算密集型任务（减少缓存失效）
保障实时任务低延迟（避免迁移）
隔离关键负载（防止干扰）

但需注意与 cpuset 的协作关系，避免配置冲突。

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