在 Linux 中以特定的 CPU 核心執行程式

這裡介紹如何在 Linux 中以特定的 CPU 核心執行程式，不要讓系統自動排程。

現在不管是伺服器或是一般個人電腦的 CPU 大部分都是多核心的架構，而各種應用軟體、編譯器與作業系統也受到這個趨勢的影響，也都會有針對多核心處理器做的最佳化設計。

通常在多核心的作業系統中常使用處理器的親和性（processor affinity，亦稱 CPU pinning）來處理需要高效能計算的應用，這個技術是屬於作業系統的一個特殊功能，它可以讓行程在特定的 CPU 核心中持續執行，不受作業系統排程的干擾。

將行程綁定在特定的 CPU 核心上有許多優點，例如一個 cache bound 的程式跟其他比較耗費 CPU 計算的程式一起執行時，將程式綁定在特定的 CPU 核心可以減少 cache miss 的狀況。另外在兩個行程頻繁的藉由 shared memory 進行溝通時，將兩個行程都綁定在同一個 NUMA 節點中也可以增進執行效率。

這裡我們會以 Linux 系統為例，介紹如何在 Linux 系統中將一般的程式綁定在一個選定的處理器核心中執行。

在 Linux 系統中若要將特定的處理器核心指定給一個程式或行程使用，可以使用 taskset，透過這個指令使用者就可以設定或取得行程的處理器親和性。

安裝 taskset

在 Linux 中 taskset 是屬於 util-linux 套件中的一部分，但是大部分的 Linux 發行版預設都會安裝，所以通常不需要自己動手裝。如果你的系統沒有安裝這個套件，可以按照下面的方式安裝。

Debian 系列的 Linux（Ubuntu、Linux Mint 等）可用 apt 安裝：

sudo apt-get install util-linux

Red Hat 系列的 Linux（Fedora、CentOS 等），則可使用 yum：

sudo yum install util-linux

查看行程（Process）的處理器親和性（CPU affinity）

若要查看指定行程的處理器親和性，可以使用 taskset 加上 -p 參數再加上行程的 ID（process ID）：

taskset -p PID

其中 PID 就是行程的 ID，例如：

taskset -p 2915

輸出為：

pid 2915's current affinity mask: ff

輸出的 affinity mask 是一個十六進位的 bitmask，將其轉換為二進位格式之後，若位元值為 1 則代表該行程可以在這個位元對應的 CPU 核心中執行，若位元值為 0 則代表該行程不允許在這個位元對應的 CPU 核心中執行。

在上面這個例子中十六進位的 ff 轉成二進位的格式會是 11111111，這八個 1 分別代表該行程可以在第 0 到第 7 個 CPU 核心中執行，最低（最右邊）的位元代表第 0 個 CPU 核心，次低的代表第 1 個，以次類推。

如果 affinity mask 是一個 0x11，則代表可在第 0 個與第 4 個 CPU 核心執行。

如果感覺以 bitmask 表示法不容易理解，可以加上 -c 參數，讓 taskset 直接輸出 CPU 的核心列表：

taskset -cp 2915

輸出為：

pid 2915's current affinity list: 0-7

將行程固定在特定的 CPU 核心中執行

taskset 亦可設定行程的 core mask，將指定的行程固定在特定的 CPU 核心中執行：

taskset -p COREMASK PID

其中 COREMASK 就是指定的十六進位 core mask，PID 則為行程的 ID。除此之外，亦可使用 -c 參數以 CPU 的核心列表來指定：

taskset -cp CORELIST PID

其中 CORELIST 為 CPU 核心列表，以逗點分個各個核心的編號或是使用連字號指定連續的區間，例如：0,2,5,7-10。

例如若要將一個行程固定在第 0 個與第 4 個 CPU 核心，則使用：

taskset -p 0x11 9030

輸出為：

pid 9030's current affinity mask: ff
pid 9030's new affinity mask: 11

亦可使用 CPU 核心列表的方式：

taskset -cp 0,4 9030

兩種方式都是一樣的。

在 Linux 中的使用者必須有開啟 CAP_SYS_NICE 這個權限，才能更動行程的處理器親和性，而若只是要查看處理器親和性的設定，則沒有限制（任何使用者皆可查詢）。

以特定的 CPU 核心執行程式

除了更改現有行程的處理器親和性，使用者也可以使用 taskset 指定 CPU 核心來執行一個新的程式：

taskset COREMASK EXECUTABLE

其中 EXECUTABLE 是要執行的程式。
例如若要以第 0 個 CPU 核心執行 vlc 則使用：

taskset 0x1 vlc

將 CPU 核心限定給特定的程式使用

taskset 可以指定行程所使用的 CPU 核心，但是不代表其他的行程不會使用這些被指定的 CPU 核心，如果你想讓其他的行程干擾你要執行的程式，讓指定的核心只能被自己設定的行程使用，可以使用 isolcpus 這個 Linux 核心（kernel）參數，這個參數可以讓特定的 CPU 核心在開機時就被保留下來。

設定的方式有兩種，一個是在開機時使用 boot loader 所提供的自訂開機參數功能，手動加入 isolcpus=cpu_id 參數，或是直接加在 GRUB 的設定檔中，這樣 Linux 的排程器（scheduler）在預設的狀況下就不會將任何一般行程放在這個被保留的 CPU 核心中執行，只有那些被 taskset 特別指定的行程可以使用這些 CPU 核心。

舉例來說，如果想讓第 0 個與第 1 個 CPU 核心都被保留下來，則在開機時加入

isolcpus=0,1

這個 Linux 核心參數，然後再使用 taskset 指令將這兩個 CPU 核心指定給要執行的程式使用即可。

參考資料：Xmodulo