理解 CPU 亲和性以及使用 nice 和 renice 设置进程优先级
在 Linux 系统管理的领域，优化性能是一项持续的努力。系统管理员为此利用的两种基本技术是管理 CPU 亲和性和调整进程优先级。CPU 亲和性，通常称为 CPU 绑定，允许您将进程定向到特定的 CPU 核心上运行。通过减少上下文切换开销和提高缓存利用率，这可以显著提高性能。通过使用 nice 和 renice 等命令进行的进程优先级管理，可以控制进程相对于其他进程可消耗的 CPU 时间量，从而实现这一点。本文将深入探讨这两个概念，并提供有关其实施和优势的实用指南。
理解这些工具可以使管理员能够微调系统行为，确保关键应用程序获得足够的资源，同时防止失控的进程影响整体系统稳定性。无论您是解决性能瓶颈问题，配置高性能计算环境，还是仅仅追求更具响应能力的系统，掌握 CPU 亲和性和进程优先级都是一项基本技能。
CPU 亲和性：将进程绑定到特定核心
CPU 亲和性是一种机制，允许操作系统将进程或线程绑定到特定的 CPU 或一组 CPU。当进程绑定到 CPU 核心时，它将只在该核心上执行。这会带来一些性能影响：
- 减少缓存失效：现代 CPU 具有多级缓存（L1、L2、L3），用于存储频繁访问的数据。当进程在不同 CPU 核心之间迁移时，其在先前核心缓存中的数据将失效，并且必须为新核心获取新数据。将进程绑定到单个核心可确保其数据保留在该核心的缓存中，从而加快访问速度。
- 最小化上下文切换：当调度程序决定在某个核心上运行另一个进程时，当前进程的状态将被保存（上下文切换），然后加载新进程的状态。如果一个进程频繁地在核心之间移动，与这些上下文切换相关的开销可能会累积。CPU 亲和性可以通过将进程保留在同一核心上来减少这种开销。
- NUMA 架构：在非统一内存访问（NUMA）系统中，内存访问时间因 CPU 核心及其与内存控制器的接近程度而异。将进程绑定到特定核心还可以确保其访问本地内存，从而降低延迟。
如何设置 CPU 亲和性
虽然 Linux 内核通常会自动管理 CPU 亲和性，但管理员可以手动影响它。主要的工具是 taskset。
使用 taskset
taskset 命令允许您检索或设置正在运行进程的 CPU 亲和性掩码，或以指定的亲和性启动新命令。
语法：
-
查看正在运行进程的 CPU 亲和性：
bash taskset -p <PID> -
设置正在运行进程的 CPU 亲和性：
bash taskset -p <mask> <PID>
<mask>是一个十六进制数字，表示允许的 CPU 的位掩码。例如，0x1（二进制0001）表示 CPU 0，0x2（二进制0010）表示 CPU 1，0x3（二进制0011）表示 CPU 0 和 1，依此类推。 -
以特定的 CPU 亲和性启动新命令：
bash taskset -c <cpu_list> <command>
<cpu_list>是 CPU ID 或范围的逗号分隔列表（例如0、0-3、1,3）。
示例：
假设您想运行一个计算任务 my_program 并将其绑定到 CPU 核心 3：
taskset -c 3 ./my_program
如果 my_program 正在运行，PID 为 12345，并且您想将其完全移至 CPU 核心 1：
taskset -p 1 12345
提示：您可以使用 nproc 或检查 /proc/cpuinfo 来确定可用 CPU 的数量。
警告：错误地设置 CPU 亲和性可能导致性能下降。最好在应用亲和性设置前后对您的应用程序进行基准测试，以确认其优势。
使用 nice 和 renice 进行进程优先级管理
CPU 亲和性决定了进程 在哪里 运行，而进程优先级决定了它相对于其他进程 获得多少 CPU 时间。Linux 使用“nice 值”的概念来控制调度优先级。nice 值范围从 -20（最高优先级，占用最多 CPU 时间）到 +19（最低优先级，占用最少 CPU 时间）。进程的默认 nice 值是 0。
较高的 nice 值意味着进程对其他进程“更友好”，将更多 CPU 时间让给它们。反之，较低的 nice 值意味着进程“不够友好”，会试图占用更多 CPU 时间。
nice 命令
nice 命令用于以修改后的 nice 值运行程序。通常在新进程启动时使用。
语法：
nice -n <niceness_level> <command>
-n <niceness_level>：指定 nice 值（如果未指定，则默认为 10）。
示例：
以低优先级（nice 值 15）运行 my_background_task：
nice -n 15 my_background_task
以高优先级（nice 值 -10）运行 my_critical_app：
nice -n -10 my_critical_app
重要提示：只有 root 用户才能分配负的 nice 值（提高优先级）。普通用户只能增加他们自己进程的 nice 值（降低优先级）。
renice 命令
renice 命令用于更改一个或多个 已运行 进程的 nice 值。
语法：
renice -n <niceness_level> -p <PID>
-n <niceness_level>：新的 nice 值。-p <PID>：要修改的进程的进程 ID。
示例：
将进程 12345 的优先级降低（nice 值增加）到 10：
renice -n 10 -p 12345
将进程 54321 的优先级提高（nice 值降低）到 -5（需要 root 权限）：
sudo renice -n -5 -p 54321
renice 还可以通过用户（-u）或进程组（-g）来定位进程。
示例：
将用户 www-data 拥有的所有进程的 nice 值设置为 5：
sudo renice -n 5 -u www-data
提示：使用 top 或 htop 查看正在运行进程的 nice 值（NI 列），并识别需要调整优先级的候选进程。
警告：为进程分配非常高的优先级（低的 nice 值）可能会耗尽其他进程的资源，导致系统无响应。请谨慎使用，尤其是在生产系统上。
实际场景和最佳实践
CPU 亲和性场景：
- 数据库服务器：将数据库进程绑定到特定核心可以确保数据保留在 CPU 缓存中，从而提高查询性能。
- 高频交易应用程序：这些应用程序通常需要最低延迟和可预测的性能，因此 CPU 绑定至关重要。
- 虚拟化主机：将特定核心专门用于虚拟机或主机本身，以提高隔离性和性能。
进程优先级场景：
- 批处理作业/后台任务：这些任务可以以较高的 nice 值（
nice -n 15）运行，这样它们就不会干扰交互式用户任务或关键服务。 - 交互式应用程序：通过防止后台任务消耗所有 CPU 资源，确保桌面应用程序或 shell 保持响应。
- 紧急资源分配：在极少数情况下，如果一个关键系统进程遇到困难，可以使用
renice（以 root 身份）临时提高其优先级。
最佳实践：
- 先进行基准测试：在应用 CPU 亲和性或优先级更改之前和之后，务必测量性能。收益并非总是得到保证，并且可能因应用程序而异。
- 了解您的硬件：在设置 CPU 亲和性时，请注意您的 CPU 拓扑（核心、插槽、NUMA 节点）。
- 使用
top/htop：监控 CPU 使用率、nice 值和进程状态，以识别性能问题并测试更改。 - 用于提高优先级的 root 权限：请记住，只有 root 用户才能降低 nice 值（提高优先级）。请谨慎使用此权限。
- 保守开始：对于优先级调整，先使用中等的 nice 值（例如，5、10），然后再尝试极端值（-20 或 +19）。
- 考虑 NUMA 感知：对于 NUMA 系统，
numactl等工具提供了更高级别的 CPU 和内存绑定控制。
结论
CPU 亲和性和进程优先级是 Linux 系统管理员进行性能调优的强大工具。通过使用 taskset 将进程战略性地绑定到特定的 CPU 核心，您可以优化缓存使用并减少上下文切换。通过使用 nice 和 renice 调整进程优先级，您可以确保关键应用程序获得所需的 CPU 资源，同时不重要的任务在后台运行而不会影响系统响应能力。有效利用这些技术需要了解您的工作负载、硬件并进行仔细的测试，但其在系统性能和稳定性方面带来的好处可能是巨大的。