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隨著計算機硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，多核處理器已經(jīng)成為了現(xiàn)代計算機的重要組成部分。而Linux作為更流行的開源操作系統(tǒng)之一，已經(jīng)提供了對多核處理器的完全支持。那么，Linux內(nèi)核支持多核是如何實現(xiàn)的呢？本文將探討Linux內(nèi)核支持多核的實現(xiàn)原理。
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了解多核處理器
在探討Linux內(nèi)核支持多核的實現(xiàn)原理之前，我們需要了解多核處理器的工作原理。多核處理器就是在一個物理處理器集成兩個或多個核心。每個核心都是一個完整的處理器，可以處理一個線程。因此，多核處理器可以同時處理多個線程，從而提高計算機的性能。
多核處理器的性能提高取決于多個因素，包括程序的并行性、內(nèi)存帶寬、線程間通信的效率等。有時候，由于多個線程競爭同一個資源，可能會出現(xiàn)性能瓶頸。因此，合理地使用多核處理器需要更高的系統(tǒng)優(yōu)化水平。
Linux內(nèi)核如何支持多核？
1. 處理器親和性
處理器親和性是一種機制，用于將進程綁定到特定的處理器核心上。在Linux內(nèi)核中，處理器親和性是通過 sched_setaffinity() 系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)的。這個系統(tǒng)調(diào)用可以將進程綁定到一個或多個特定的處理器上。通過處理器親和性機制，可以使得進程優(yōu)先在綁定的處理器上運行，從而提高系統(tǒng)的性能。
2. 任務(wù)調(diào)度
Linux內(nèi)核對于多核處理器的支持，還涉及到任務(wù)調(diào)度機制。任務(wù)調(diào)度是指內(nèi)核決定哪個進程占用處理器的時間。在多核處理器中，任務(wù)調(diào)度需要考慮許多因素，例如處理器親和性、負載均衡等。內(nèi)核的調(diào)度器必須合理地分配處理器內(nèi)核，從而保證每個進程都可以獲得足夠的時間片，使系統(tǒng)保持高效運行。
3. 中斷處理
中斷處理是指當(dāng)系統(tǒng)硬件設(shè)備發(fā)生需要處理的事件時，中斷處理程序被調(diào)用處理這個事件。在多核處理器中，中斷處理需要考慮到每個核心的中斷處理程序的并發(fā)性。 Linux內(nèi)核通過使用自旋鎖和信號量等機制來處理并發(fā)中斷請求，保證每個內(nèi)核都可以按照正確的順序處理中斷請求，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
4. 線程同步
在多核處理器中，線程同步是非常重要的因素，如果沒有得到正確的處理，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。線程同步是指當(dāng)多個線程訪問共享資源時，確保每個線程訪問時機的協(xié)調(diào)性。在Linux內(nèi)核中，線程同步是通過鎖機制來實現(xiàn)的。鎖機制確保每個線程能夠按照正確的先后順序訪問共享資源，從而防止出現(xiàn)訪問沖突，導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。
在多核處理器上，Linux內(nèi)核支持多核的實現(xiàn)是一個復(fù)雜而細致的工作。Linux內(nèi)核提供了處理器親和性、任務(wù)調(diào)度、中斷處理和線程同步等機制來優(yōu)化多核處理器的運行。這樣就可以充分利用多核處理器的優(yōu)勢，提高計算機的性能。了解Linux內(nèi)核支持多核的實現(xiàn)原理不僅可以讓我們更好地使用計算機，還可以在優(yōu)化系統(tǒng)性能方面著手進行更深層次的工作。
相關(guān)問題拓展閱讀：
- 在Linux系統(tǒng)上，多個線程能否同時使用多個CPU核心？有人說能，有人說不能
- arm linux 多核同時運行
- 并行編程技術(shù)是誰的核心技術(shù)體系
在Linux系統(tǒng)上，多個線程能否同時使用多個CPU核心？有人說能，有人說不能
與超慎慎核線程CPU在邏輯上模擬雙核不同，多核CPU每個核心都可以獨立執(zhí)行一個線程，是真正意義的多個物理CPU。
第孝耐二個問題，如果你的程序的線程數(shù)少于CPU的核心數(shù)，且系統(tǒng)此時沒有其他進程同時運行，那么這個程序的每個線程會享有一個CPU，當(dāng)同時運行的線程數(shù)多于CPU核心數(shù)時，CPU會采用一定的調(diào)度算法每隔一段時間就將這些線程調(diào)入或調(diào)出CPU，以寬掘確保每個線程都能分享一部分CPU時間，實現(xiàn)多線程并發(fā)。
arm linux 多核同時運行
多處理器可以被定義用來包含多個core的單個設(shè)備中含爛同時運行二洞迅個或多個指令。現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于通用應(yīng)用處理器和嵌談顫漏入式系統(tǒng)中。
并行編程技術(shù)是誰的核心技術(shù)體系
并行編程技術(shù)是誰的核心技術(shù)體系
在摩爾定律失效之前，提升處理器性能通過主頻提升、硬件超線程等技術(shù)就能滿足應(yīng)用需要。隨著主頻提升慢慢接近撞上光速這道墻，摩爾定律開始逐漸失效，多核集成為處理器性能提升的主流手段?，F(xiàn)在市面上已經(jīng)很難看到單核的處理器，就是這一發(fā)展趨勢的佐證。要充分發(fā)揮多核豐富的計算資源優(yōu)勢，多核下的并行編程就不可避免，Linux kernel就是一典型的多核并行編程嘩襲纖場景。但多核下的并行編程卻挑戰(zhàn)多多。
多核并行編程的挑戰(zhàn)
目前主流的計算機都是馮諾依曼架構(gòu)，即共享內(nèi)存的計算模型，這種過程計算模亂仿型對并行計算并不友好。下圖是一種典型的計算機硬件體系架構(gòu)。
這種架構(gòu)中，有如下設(shè)計特點：
多個CPU核改善處理器的計算處理能力；
多級cache改善CPU訪問主存的效率；
各個CPU都有本地內(nèi)存（NUMA（非一致性內(nèi)存訪問）），進一步改善CPU訪問主存的效率；
store buffer模塊改善cache write由于應(yīng)答延遲而造成的寫停頓問題；
invalidate queue模塊改善使無效應(yīng)答的時延，把使無效命令放入queue后就立即發(fā)送應(yīng)答；
外設(shè)DMA支持直接訪問主存，改善CPU使用效率；
這些硬件體系設(shè)計特點也引入很多問題，更大的問題就是cache一致性問題和亂序執(zhí)行問題。
cache一致性問題由cache一致性協(xié)議MESI解決，MESI由硬件保禪逗證，對軟件來說是透明的。MESI協(xié)議保證所有CPU對單個cache line中單個變量修改的順序保持一致，但不保證不同變量的修改在所有CPU上看到的是相同順序。這就造成了亂序。不僅如此，亂序的原因還有很多：
store buffer引起的延遲處理，會造成亂序；
invalidate queue引起的延遲處理，會造成亂序；
編譯優(yōu)化，會造成亂序；
分支預(yù)測、多流水線等CPU硬件優(yōu)化技術(shù)，會造成亂序；
外設(shè)DMA，會造成數(shù)據(jù)亂序；
這種情況造成，就連簡單的++運算操作的原子性都無法保證。這些問題必須采用多核并行編程新的技術(shù)手段來解決。
多核并行編程關(guān)鍵技術(shù)
鎖技術(shù)
Linux kernel提供了多種鎖機制，如自旋鎖、信號量、互斥量、讀寫鎖、順序鎖等。各種鎖的簡單比較如下，具體實現(xiàn)和使用細節(jié)這里就不展開了，可以參考《Linux內(nèi)核設(shè)計與實現(xiàn)》等書的相關(guān)章節(jié)。
自旋鎖，不休眠，無進程上下文切換開銷，可以用在中斷上下文和臨界區(qū)小的場合；
信號量，會休眠，支持同時多個并發(fā)體進入臨界區(qū)，可以用在可能休眠或者長的臨界區(qū)的場合；
互斥量，類似與信號量，但只支持同時只有一個并發(fā)體進入臨界區(qū)；
讀寫鎖，支持讀并發(fā)，寫寫/讀寫間互斥，讀會延遲寫，對讀友好，適用讀側(cè)重場合；
順序鎖，支持讀并發(fā)，寫寫/讀寫間互斥，寫會延遲讀，對寫友好，適用寫側(cè)重場合；
鎖技術(shù)雖然能有效地提供并行執(zhí)行下的競態(tài)保護，但鎖的并行可擴展性很差，無法充分發(fā)揮多核的性能優(yōu)勢。鎖的粒度太粗會限制擴展性，粒度太細會導(dǎo)致巨大的系統(tǒng)開銷，而且設(shè)計難度大，容易造成死鎖。除了并發(fā)可擴展性差和死鎖外，鎖還會引入很多其他問題，如鎖驚群、活鎖、饑餓、不公平鎖、優(yōu)先級反轉(zhuǎn)等。不過也有一些技術(shù)手段或指導(dǎo)原則能解決或減輕這些問題的風(fēng)險。
按統(tǒng)一的順序使用鎖（鎖的層次），解決死鎖問題；
指數(shù)后退，解決活鎖/饑餓問題；
范圍鎖（樹狀鎖），解決鎖驚群問題；
優(yōu)先級繼承，解決優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題 ；
原子技術(shù)
原子技術(shù)主要是解決cache和內(nèi)存不一致性和亂序執(zhí)行對原子訪問的破壞問題。Linux kernel中主要的原子原語有：
ACCESS_ONCE()、READ_ONCE() and WRITE_ONCE()：禁止編譯器對數(shù)據(jù)訪問的優(yōu)化，強制從內(nèi)存而不是緩存中獲取數(shù)據(jù)；
barrier()：亂序訪問內(nèi)存屏障，限制編譯器的亂序優(yōu)化；
b_wmb()：寫內(nèi)存屏障，刷新store buffer，同時限制編譯器和CPU的亂序優(yōu)化；
b_rmb()：讀內(nèi)存屏障，刷新invalidate queue，同時限制編譯器和CPU的亂序優(yōu)化；
b_mb()：讀寫內(nèi)存屏障，同時刷新store buffer和invalidate queue，同時限制編譯器和CPU的亂序優(yōu)化；
atomic_inc()/atomic_read()等：整型原子操作；
嚴格來說，Linux kernel作為系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)受硬件影響很大，不同硬件有不同的內(nèi)存模型，因此，不同于高級語言，Linux kernel的原子原語語義并沒有一個統(tǒng)一模型。比如在P的ARM64 CPU上，barrier、b_wmb、b_rmb的實現(xiàn)與b_mb都是一樣的，都是volatile (“” ::: “memory”)。
另外，再多提一句的是，atomic_inc()原語為了保證原子性，需要對cache進行刷新，而緩存行在多核體系下傳播相當(dāng)耗時，其多核下的并行可擴展性差。
無鎖技術(shù)
上一小節(jié)中所提到的原子技術(shù)，是無鎖技術(shù)中的一種，除此之外，無鎖技術(shù)還包括RCU、Hazard pointer等。值得一提的是，這些無鎖技術(shù)都基于內(nèi)存屏障實現(xiàn)的。
Hazard pointer主要用于對象的生命周期管理，類似引用計數(shù)，但比引用計數(shù)有更好的并行可擴展性；
RCU適用的場景很多，其可以替代：讀寫鎖、引用計數(shù)、垃圾回收器、等待事物結(jié)束等，而且有更好的并行擴展性。但RCU也有一些不適用的場景，如寫側(cè)重；臨界區(qū)長；臨界區(qū)內(nèi)休眠等場景。
不過，所有的無鎖原語也只能解決讀端的并行可擴展性問題，寫端的并行可擴展性只能通過數(shù)據(jù)分割技術(shù)來解決。
數(shù)據(jù)分割技術(shù)
分割數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，減少共享數(shù)據(jù)，是解決并行可擴展性的根本辦法。對分割友好（即并行友好）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有：
數(shù)組
哈希表
基樹（Radix Tree）/稀疏數(shù)組
跳躍列表（skip list）
使用這些便于分割的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，有利于我們通過數(shù)據(jù)分割來改善并行可擴展性。
除了使用合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)外，合理的分割指導(dǎo)規(guī)則也很重要：
讀寫分割：以讀為主的數(shù)據(jù)與以寫為主的數(shù)據(jù)分開；
路徑分割：按獨立的代碼執(zhí)行路徑來分割數(shù)據(jù)；
專項分割：把經(jīng)常更新的數(shù)據(jù)綁定到指定的CPU/線程中；
所有權(quán)分割：按CPU/線程個數(shù)對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行分割，把數(shù)據(jù)分割到per-cpu/per-thread中；
4種分割規(guī)則中，所有權(quán)分割是分割最徹底的。
以上這些多核并行編程內(nèi)容基本上涵蓋了Linux kernel中所有的并發(fā)編程關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)然并行編程還有很多其他技術(shù)沒有應(yīng)用到Linux kernel中的，如無副作用的并行函數(shù)式編程技術(shù)（Erlang/Go等）、消息傳遞、MapReduce等等。
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