本文主要讨论在高实时要求、高效能计算、DPDK等领域，Linux如何让某一个线程排他性独占CPU；独占CPU涉及的线程、中断隔离原理；以及如何在排他性独占的状况下，甚至让系统的timer tick也不打断独占任务，从而实现最低的延迟抖动。网络
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工程需求
用户态隔离
内核态隔离
3.1 中断
3.2 内核线程
最佳实践指南
1. 工程需求
在一个SMP或者NUMA系统中，CPU的数量大于1。在工程中，咱们有时候有一种需求，就是让某个可以独占CPU，这个CPU什么都不作，就只作指定的任务，从而得到低延迟、高实时的好处。性能
好比在DPDK中，经过设置线程
GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT=“isolcpus=0-3,5,7”
隔离CPU0,3,5,7，让DPDK的任务在运行的时候，其余任务不会和DPDK的任务进行上下文切换，从而保证网络性能最佳[1]。在Realtime应用场景中，经过isolcpus=2隔离CPU2，而后把实时应用经过taskset绑定到隔离的核：3d
taskset-c 2 pn_dev
从而保证低延迟要求[2]。code
2. 用户态隔离
这个地方，咱们能够看出，它们统一都使用了isolcpus这样一个启动参数。blog
实践是检验真理的惟一标准，下面咱们来启动一个8核的ARM64系统，运行Ubuntu，并指定isolcpus=2这个启动参数：进程
系统启动后，咱们运行下面简单的程序(启动8个进程运行while死循环):文档
咱们是8核的，如今又是运行8个进程，因此理论上来说，负载均衡后，8个进程应该均分地运行在8个核上面，可是咱们来看看实际的htop结果：
咱们发现3(也就是CPU2)上面的CPU占用率是0.0%。这实证了CPU2已经被隔离，用户空间的进程不能在它上面跑。
固然，这个时候，咱们能够经过taskset，强行把其中的一个a.out，绑定到CPU2上面去：
从上面命令的结果看出，663本来的affinity list只有0,1,3-7是没有2的，而咱们强行把它设置为了2，以后再看htop，CPU2上面占用100%：
经过上面的实验，咱们明显能够看出isolcpus=2使得CPU2上没法再运行用户空间的进程了(除非手动设置affinity)。
3. 内核态隔离
中断
可是，能在CPU2上面运行的，不是只有用户态的任务，还能够有内核线程、中断等，那么isolcpus=可否隔离内核线程和中断呢？
对于中断，咱们特别容易查看，就是实际去验证每一个IRQ的smp_affinity就行了：
从上图明显能够看出，对于4四、47号这种外设的中断，Linux内核把smp_affinity设置为了FB(11111011)，明显避开了CPU2，因此，实际外设中断也不会在CPU2发生，除非咱们强行给中断绑核，好比让44号中断绑定到CPU2：
echo 2 >/proc/irq/44/smp_affinity_list
以后，咱们发现44号中断在CPU2能够发生：
可是，系统的timer中断、IPI，因为是Linux系统的运行基石，实际仍是要在CPU2上面运行的。这里面最可能给任务带来延迟抖动的，天然是timer tick。
下面咱们重点探讨下tick的问题，因为Linux通常状况下，已经配置IDLE状态的NO_HZ tickless，因此CPU2上面什么都不跑的时候，实际timer中断几乎不发生。
下面，咱们仍是在isolcpus=2的状况下，运行前面那个8个进程的a.out，默认状况下没有任务会占用CPU2。经过前后运行几回cat /proc/interrupts | head 2，咱们会看到其余core的timer中断频繁发生，而CPU2几乎不变，这显然是IDLE时候的NO_HZ在发挥省电的做用：
可是，一旦咱们听任务到CPU2，哪怕只是放1个，就会发现CPU2上面的timer中断开始增长：
这说明一点，哪怕隔离的CPU上面只有一个线程去跑，timer tick就会开始跑，固然，这个timer tick也会频繁打断这一个线程，从而形成大量的上下文切换。你确定会以为Linux怎么这么傻，既然只有一我的，那也没有时间片分片的必要，不须要在2个或者多个任务进行时间片划分地调度，为啥还要跑tick？其实缘由是咱们的内核默认只是使能了IDLE的NO_HZ：
咱们来从新编译一个内核，使能NO_HZ_FULL：
当咱们使能了NO_HZ_FULL后，Linux支持在CPU上仅有1个任务的时候，是能够NO_HZ的。可是有2个就傻眼了，因此这个“FULL”也不是真地FULL[3]。这固然也能够理解，由于有2个就涉及到时间片调度的问题。何时应该使能NO_HZ_FULL，内核文档Documentation/timers/no_hz.rst有明确地“指示”，只有在实时和HPC等的场景，才须要，不然默认的NO_HZ_IDLE是你最好的选择：
咱们从新编译了内核，选中了NO_HZ_FULL，下面启动Linux，注意启动的时候参数添加nohz_full=2，让CPU2支持NO_HZ_FULL：
从新运行CPU2只有一个任务的场景，看看它的timer中断发生状况：
发现CPU2上面的tick稳定在188上面，这样相信你会更加开心，由于你独占地更加完全了！
下面，咱们再放一个task进去CPU2，有2个任务的状况下，CPU2上面的timer tick开始增长：
不过，这或许不是个问题，由于咱们说好了“独占”，1个任务独占的时候，timer tick不来打扰，应该已是很是理想的状况了！
内核态线程
内核态的线程其实和用户态差很少，当它们没有绑定到隔离的CPU的时候，是不会跑到隔离CPU运行的。下面用笔者在内核里面添加的dma_map_benchmark来作实验[4]，开启16个内核线程来进行DMA map和unmap(注意咱们只有8个核):
./dma_map_benchmark -s 120 -t 16
咱们看到CPU2上面的CPU占用也是0：
内核里面的dma_map_benchmark线程在狂占CPU0-1, 3-7，可是就是不去占CPU2：
可是，内核线程若是用kthread_bind_mask()相似API把线程绑定到了隔离的CPU，则状况就不同了，这就相似用taskset把用户态的任务绑定到CPU同样。
4. 最佳实践指南
对于实时性要求高、高性能计算等场景，若是要让某个任务独占CPU，最理想的选择是：
采用isolcpus隔离CPU
将指定任务绑定到隔离CPU
当心意外地把中断、内核线程绑定到了隔离CPU，排查到这些“意外”分子
使能NO_HZ_FULL，则效果更佳，由于连timer tick中断也不打扰你了。
