多核同構(gòu)SMP--調(diào)度算法分析

隨著智能化產(chǎn)品的需求不斷提高，慢慢的單芯片單核處理器已經(jīng)不能滿足我們的需求，于是就在一個(gè)芯片上集成兩個(gè)或多個(gè)核心，進(jìn)而轉(zhuǎn)向了多核處理器的發(fā)展，多核處理器具有更高的計(jì)算密度和更強(qiáng)的并行處理能力，所以它也是大趨勢(shì)。多核處理器從硬件的角度來(lái)區(qū)分，又分為同構(gòu)和異構(gòu)：

多核同構(gòu)處理器：一個(gè)處理器的多個(gè)核心的體系架構(gòu)是一樣的，如：T113

多核異構(gòu)處理器：一個(gè)處理器中包含不同體系架構(gòu)的核心，如：STM32MP157

多核處理器從軟件的角度來(lái)區(qū)分，又分為SMP和AMP：

SMP：又稱對(duì)稱多處理（Symmetric multiprocessing），只有一個(gè)操作系統(tǒng)（OS）實(shí)例上運(yùn)行多個(gè)核心，一個(gè)OS同等的管理各個(gè)內(nèi)核，為各個(gè)內(nèi)核分配工作負(fù)載，系統(tǒng)中所有的內(nèi)核平等地訪問(wèn)內(nèi)存資源和外設(shè)資源。

AMP：又稱非對(duì)稱多處理（Asymmetric Multi-Processing），每個(gè)核心運(yùn)行自己的OS或同一OS的獨(dú)立實(shí)例，或者說(shuō)不運(yùn)行OS，如運(yùn)行裸機(jī)，每個(gè)內(nèi)核有自己獨(dú)立的內(nèi)存空間，也可以和其它內(nèi)核共享部分內(nèi)存空間，每個(gè)核心相對(duì)獨(dú)立地運(yùn)行不同的任務(wù)，但是有一個(gè)核心為主要核心，它負(fù)責(zé)控制其它核心以及整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn) 行，而其它核心負(fù)責(zé)“配合”主核心來(lái)完成特定的任務(wù)。

本篇文章圍繞SMP展開(kāi)講解。

什么是SMP

對(duì)稱多處理器結(jié)構(gòu) , 英文名稱為 "Symmetrical Multi-Processing" , 簡(jiǎn)稱SMP。SMP又稱為UMA, 全稱"Uniform Memory Access", 中文名稱"統(tǒng)一內(nèi)存訪問(wèn)架構(gòu)"。

在 " 對(duì)稱多處理器結(jié)構(gòu) " 的 系統(tǒng)中 , 所有的處理器單元的地位都是平等的 , 一般指的是服務(wù)器設(shè)備上 , 運(yùn)行的 多個(gè) CPU , 沒(méi)有 主次/從屬 關(guān)系，都是平等的。

這些處理器共享所有的設(shè)備資源, 所有的資源對(duì)處理器單元具有相同的可訪問(wèn)性, 如: 內(nèi)存, 總線等，多個(gè)CPU處理器共享相同的物理內(nèi)存, 每個(gè)CPU訪問(wèn)相同的物理地址, 所消耗的時(shí)間是相同的;

SMP的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn) ：避免了結(jié)構(gòu)障礙, 其最大的特點(diǎn)是所有的資源共享。缺點(diǎn)：SMP架構(gòu)的系統(tǒng), 擴(kuò)展能力有限, 有瓶頸限制。如: 內(nèi)存瓶頸限制, 每個(gè)CPU處理器必須通過(guò)相同的總線訪問(wèn)相同的內(nèi)存資源, 如果CPU數(shù)量不斷增加, 使用同一條總線, 就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存訪問(wèn)沖突; 這樣就降低了CPU的性能;

操作系統(tǒng)如何滿足SMP

公平共享: CPU的負(fù)載, 需要公平地共享, 不能出現(xiàn)某個(gè)CPU空閑, 造成資源浪費(fèi)。

可設(shè)置線程(進(jìn)程)與CPU親和性: 可以為某些類型的線程（進(jìn)程）與指定的處理器設(shè)置親和性, 可以針對(duì)性地匹配線程（進(jìn)程）與處理器。

線程（進(jìn)程）遷移: 可以將線程（進(jìn)程）在不同的CPU處理器之間進(jìn)行遷移 。

總結(jié)：操作系統(tǒng)的SMP對(duì)稱多處理器結(jié)構(gòu)調(diào)度，核心就是將線程（進(jìn)程）遷移到合適的處理器上, 并且可以保持各個(gè)處理器的負(fù)載均衡。

SMP調(diào)度方式

作者總結(jié)SMP的調(diào)度算法可以分為三種：

①線程（進(jìn)程）默認(rèn)核心0運(yùn)行，可以指定親和性：

當(dāng)用戶創(chuàng)建線程（進(jìn)程）時(shí)，可以指定掛在到指定核心運(yùn)行。當(dāng)任務(wù)掛在到指定核心，那么該任務(wù)只能在該核心上運(yùn)行。

當(dāng)用戶創(chuàng)建線程（進(jìn)程）時(shí)，沒(méi)有指定掛在到指定核心運(yùn)行，線程（進(jìn)程）默認(rèn)掛在到核心0。該任務(wù)核心0上運(yùn)行。

問(wèn)題：

優(yōu)點(diǎn)：可以規(guī)定某個(gè)核心專注的做某一件事或某一類事。

缺點(diǎn)：核心0的負(fù)載會(huì)很大，它需要調(diào)度其他核心不調(diào)度的任務(wù)。

適用場(chǎng)景：

項(xiàng)目需要指定核心專一處理某一件事情的時(shí)候，可以使用這種調(diào)度算法

②線程（進(jìn)程）默認(rèn)均分到不同核心，可以指定親和性。

當(dāng)用戶創(chuàng)建線程（進(jìn)程）時(shí)，可以指定掛在到指定核心運(yùn)行。當(dāng)任務(wù)掛在到指定核心，那么該任務(wù)只能在該核心上運(yùn)行。

當(dāng)用戶創(chuàng)建線程（進(jìn)程）時(shí)，沒(méi)有指定掛在到指定核心運(yùn)行，系統(tǒng)會(huì)判斷每個(gè)核心的任務(wù)數(shù)，將該任務(wù)放在任務(wù)數(shù)最少的核心中。

問(wèn)題：

優(yōu)點(diǎn)：將任務(wù)平分給每個(gè)核心，每個(gè)核心的負(fù)載會(huì)相對(duì)均衡。

缺點(diǎn)：可能存在某個(gè)核心分配的任務(wù)都是比較輕的，某個(gè)核心分配的任務(wù)比較重。導(dǎo)致核心中的任務(wù)比較輕的，會(huì)更加容易進(jìn)入空閑狀態(tài)，核心中的任務(wù)比較重的，可能會(huì)一直處于忙碌狀態(tài)，這樣也會(huì)導(dǎo)致每個(gè)核心的負(fù)載不均衡。

適用場(chǎng)景：

項(xiàng)目中，所有的任務(wù)的復(fù)雜程度都差不多，可以均分到每個(gè)核心上，這樣可以提高系統(tǒng)性能。

③線程（進(jìn)程）根據(jù)核心負(fù)載獲取任務(wù)調(diào)度，可以指定親和性。

當(dāng)用戶創(chuàng)建線程（進(jìn)程）時(shí)，可以指定掛在到指定核心運(yùn)行。當(dāng)任務(wù)掛在到指定核心，那么該任務(wù)只能在該核心上運(yùn)行。

當(dāng)用戶創(chuàng)建線程（進(jìn)程）時(shí)，沒(méi)有指定掛在到指定核心運(yùn)行，將該任務(wù)掛載一個(gè)總?cè)蝿?wù)隊(duì)列中，當(dāng)某個(gè)核心調(diào)度空閑時(shí)，就從總?cè)蝿?wù)隊(duì)列中獲取一個(gè)任務(wù)運(yùn)行。運(yùn)行完畢之后歸還給總?cè)蝿?wù)隊(duì)列。

問(wèn)題：

優(yōu)點(diǎn)：根據(jù)每個(gè)核心的負(fù)載，均分整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度，提供了每個(gè)核心的利用率。

缺點(diǎn)：調(diào)度算法比較復(fù)雜

適用場(chǎng)景：

項(xiàng)目中不需要關(guān)心任務(wù)的具體運(yùn)行到那個(gè)核心。

總結(jié)

上述的調(diào)度算法，只有第三種滿足：①公平共享；②可設(shè)置線程(進(jìn)程)與CPU親和性；③線程（進(jìn)程）遷移。

調(diào)度算法，第一種和第二種，只滿足三個(gè)條件的某一部分。

不用的調(diào)度適用于不同的場(chǎng)景，需要根據(jù)實(shí)際的需求選擇相應(yīng)的調(diào)度算法。

審核編輯：湯梓紅