Afinidad del procesador

La ejecución de un hilo puede ser interrumpida por el planificador del sistema operativo para liberar espacio para otros programas o hilos durante una interrupción. Si el hilo se envía posteriormente al procesador en el que se estaba ejecutando previamente, puede haber datos restantes en la caché de la CPU que se pueden reutilizar, lo que permite reducir los fallos de caché . ^{[ 4 ]} Establecer la afinidad del procesador aseguraría que el hilo siempre se ejecute en el mismo procesador o procesadores, pero al mismo tiempo lo obligaría a esperar a que el procesador o procesadores estén disponibles nuevamente. Esta característica es especialmente útil para procesos intensivos en CPU con pocas interrupciones. Hacer lo mismo con un programa ordinario podría ralentizarlo, ya que tienden a ser interrumpidos con mayor frecuencia y terminan esperando más. ^{[ 5 ]} Un ejemplo práctico de afinidad del procesador es la ejecución de múltiples instancias de una aplicación de un solo hilo, como algunos programas de renderizado de gráficos. ^{[ 6 ]}

En las CPU con multihilo simultáneo (SMT, también conocido informalmente como hyper-threading , una marca registrada genérica de Intel), los dos o más "hilos" (procesadores lógicos, "núcleos virtuales") de un núcleo físico comparten las cachés L1 y L2. En lo que respecta a la afinidad para fines de localidad, son idénticas. ^{[ 7 ]}

En los sistemas de acceso a memoria no uniforme (NUMA) existe un problema similar, con la diferencia de que la latencia no proviene de fallos de caché L1/L2, sino de fallos de caché L3 y del acceso a memoria entre nodos. Restringir todos los hilos de un programa al mismo nodo NUMA (o al menos al mismo socket de CPU) garantizaría que puedan compartir sus cachés L3. Puede ser necesaria una configuración adicional para asegurar que la memoria se asigne desde el nodo NUMA local. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

La afinidad del procesador también impone una división estática de los recursos de procesamiento. Como resultado, se puede usar para limitar la cantidad de núcleos de CPU utilizados por un proceso que consume muchos recursos de CPU, dejando otros núcleos disponibles para que los usen otros programas. Esto, por supuesto, no es óptimo, ya que dejaría recursos completamente sin usar cuando no se ejecutan otros programas, además de permitir que otros programas compitan con el programa que consume muchos recursos de CPU por los recursos en los pocos núcleos que se le permite usar. Los métodos más avanzados para dividir los recursos incluyen la configuración de prioridades de CPU, las cuotas de utilización de CPU y los límites de porcentaje de utilización estrictos. ^{[ 10 ] [ 7 ]}

Nuevamente, en las CPU con SMT, los planificadores que no son compatibles con SMT podrían cometer el error de programar trabajo en un núcleo no ocupado con un compañero ocupado cuando hay núcleos físicos no ocupados presentes. Esto causaría una competencia innecesaria por los recursos entre los dos hilos. Como resultado, los programas multihilo que consumen muchos recursos de la CPU a menudo asignan manualmente la afinidad de sus hilos para asegurarse de que no terminen compitiendo por el mismo núcleo físico. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

En Linux , la afinidad de CPU de un proceso se puede modificar con el programa taskset(1) ^{[ 13 ]} y la llamada al sistema sched_setaffinity(2). ^{[ 14 ]} La afinidad de un hilo se puede modificar con una de las funciones de la biblioteca: pthread_setaffinity_np(3) o pthread_attr_setaffinity_np(3).

En los sistemas SGI , dplace vincula un proceso a un conjunto de CPU. ^{[ 15 ]}

En NetBSD 5.0, FreeBSD 7.2, DragonFly BSD 4.7 y versiones posteriores se puede usar pthread_setaffinity_npy pthread_getaffinity_np. ^{[ 16 ]} En NetBSD , la utilidad psrset ^{[ 17 ]} se utiliza para establecer la afinidad de un hilo a un conjunto de CPU determinado. En FreeBSD , la utilidad cpuset ^{[ 18 ]} se utiliza para crear conjuntos de CPU y asignar procesos a estos conjuntos.

En DragonFly BSD 1.9 (2007) y versiones posteriores, usched_setse puede usar una llamada al sistema para controlar la afinidad de un proceso. ^{[ 19 ] [ 20 ]} En DragonFly BSD 3.1 (2012) y versiones posteriores, se puede usar la utilidad usched para asignar procesos a un conjunto de CPU determinado. ^{[ 21 ]}

En Solaris es posible controlar las vinculaciones de procesos y LWP al procesador mediante el programa pbind(1) ^{[ 22 ]} . Para controlar la afinidad mediante programación, se puede utilizar processor_bind(2) ^{[ 23 ]} . Existen interfaces más genéricas disponibles, como pset_bind(2) ^{[ 24 ]} o lgrp_affinity_get(3LGRP) ^{[ 25 ]} , que utilizan conceptos de conjuntos de procesadores y grupos de localidad.

En AIX es posible controlar las vinculaciones de procesos mediante el comando bindprocessor ^{[ 26 ] [ 27 ]} y la API bindprocessor(). ^{[ 26 ] [ 28 ]} El planificador de AIX es compatible con SMT y puede cambiar los estados SMT de los núcleos POWER7/8/9 de 1 a 8 hilos para maximizar el rendimiento. ^{[ 29 ]}

En Windows NT y sus sucesores, las afinidades de CPU de subprocesos y procesos se pueden configurar por separado mediante las llamadas a la API SetThreadAffinityMask ^{[ 33 ]} y SetProcessAffinityMask ^{[ 34 ]} o a través de la interfaz del Administrador de tareas (solo para la afinidad de procesos). ^{[ 35 ]}

La asignación forzada de cada hilo OpenMP a núcleos lógicos distintos en Windows se puede lograr mediante el siguiente código C , con el encabezado <Windows.h> :

#include <Windows.h> #include <omp.h>// Establecer la afinidad de subprocesos de OpenMP void setThreadAffinity ( void ) { #pragma omp parallel default(shared) { DWORD_PTR mask = ( DWORD_PTR ) 1 << omp_get_thread_num (); SetThreadAffinityMask ( GetCurrentThread (), mask ); } }