3、CPU亲和性（Affinity）概念

3.1 什么是CPU亲和性

CPU亲和性（CPU Affinity）是指将进程或线程绑定到特定CPU核心（或一组核心）上运行的机制。它决定了操作系统调度器在分配CPU时间片时，是否允许进程在多个核心之间自由迁移，还是强制固定在某个核心上执行。

从实现层面看，CPU亲和性通过位掩码（bitmask）表示，每个bit对应一个逻辑CPU核心。当位掩码中某位置1时，表示允许进程在该核心上运行；置0则表示禁止。

3.2 软亲和性与硬亲和性的区别

CPU亲和性根据实现机制和强制程度，分为软亲和性（Soft Affinity）和硬亲和性（Hard Affinity）两种类型。两者在调度行为、系统开销和适用场景上存在本质差异。

3.3 为什么需要设置CPU亲和性

在多核系统中，不设置CPU亲和性会导致进程频繁在核心间迁移，带来显著的性能开销。设置CPU亲和性的核心动机包括以下五个方面：

1. 减少缓存未命中（Cache Miss）： 进程迁移到新核心后，L1/L2缓存内容失效，需要重新加载数据，导致内存访问延迟增加。
2. 降低TLB刷新开销： 核心切换会刷新TLB（Translation Lookaside Buffer），增加页表遍历次数。
3. 消除NUMA跨节点访问： 在NUMA架构中，进程迁移到远程节点会导致内存访问延迟大幅上升（通常增加1.5~3倍）。
4. 保障实时性/确定性： 实时任务需要可预测的调度延迟，绑定核心可避免被其他任务抢占或迁移。
5. 隔离干扰任务： 将高负载任务与关键任务隔离到不同核心，防止相互干扰。

3.4 亲和性设置示例

在Linux系统中，通过 sched_setaffinity 系统调用或 taskset 命令行工具设置CPU亲和性。以下是一个C语言示例，将当前进程绑定到CPU0和CPU2：

#define _GNU_SOURCE
#include <sched.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    cpu_set_t mask;
    CPU_ZERO(&mask);          // 清空掩码
    CPU_SET(0, &mask);        // 允许CPU0
    CPU_SET(2, &mask);        // 允许CPU2

    if (sched_setaffinity(0, sizeof(mask), &mask) == -1) {
        perror("sched_setaffinity");
        return 1;
    }

    printf("进程 %d 已绑定到 CPU0 和 CPU2\n", getpid());

    // 验证当前亲和性
    cpu_set_t get_mask;
    CPU_ZERO(&get_mask);
    if (sched_getaffinity(0, sizeof(get_mask), &get_mask) == 0) {
        for (int i = 0; i < CPU_SETSIZE; i++) {
            if (CPU_ISSET(i, &get_mask)) {
                printf("  允许在 CPU%d 上运行\n", i);
            }
        }
    }

    while (1);  // 保持运行
    return 0;
}

使用 taskset 命令行工具绑定进程：

# 启动时绑定到CPU0和CPU2
taskset -c 0,2 ./myapp

# 绑定已运行的进程（PID=1234）到CPU1-3
taskset -p -c 1-3 1234

# 查看进程当前亲和性
taskset -p 1234
pid 1234's current affinity mask: e
# 输出说明：e = 0b1110，表示允许CPU1、CPU2、CPU3