线程亲和性（Thread Affinity）

核心定义

线程亲和性是指将一个线程（或进程）绑定到一个或一组特定的CPU核心上运行的机制。它决定了操作系统调度器在分配计算资源时的偏好。

默认情况下，现代操作系统的调度器会尝试在所有可用的CPU核心之间自动、动态地分配线程，以实现负载均衡，最大化整体CPU利用率。这被称为线程迁移。

线程亲和性则是对这种默认行为的一种干预，它告诉调度器：“请让这个线程只在这几个指定的核心上运行。”

为什么需要线程亲和性？（优点与用途）

尽管操作系统的默认调度策略在大多数情况下工作得很好，但在一些对性能极其敏感的场景下，手动控制线程亲和性会带来显著好处：

1. 减少缓存失效（Cache Invalidation）

   • 这是最主要的原因。当一个线程从一个核心被迁移到另一个核心时，它在原核心的各级缓存（L1, L2, 甚至L3）中的数据就“失效”了。
   • 在新核心上，它必须重新从主内存（RAM）中加载数据，这个过程非常缓慢（相比缓存访问）。
   • 通过将线程固定在一个核心上，可以极大提高缓存命中率，从而大幅提升性能。

2. 避免上下文切换开销

   • 虽然调度器本身有开销，但线程亲和性主要不是减少上下文切换的次数，而是通过保持线程在同一个核心上，来保证缓存的热度，从而让每次切换后的执行更高效。

3. 保证实时性和确定性（Real-time Systems）

   • 在实时系统中，任务的执行时间必须是可预测的。线程迁移和缓存失效带来的延迟波动是不可接受的。
   • 通过绑定核心，可以消除这种不确定性，确保关键任务总能获得CPU时间，并享有温暖的缓存。

4. NUMA架构优化

   • 在非统一内存访问（NUMA）架构的服务器中，CPU和内存被分成多个“节点”。访问本地节点内存的速度远快于访问远程节点内存。
   • 将线程绑定到离其所需数据最近的核心上，可以避免缓慢的远程内存访问，极大提升性能。

5. 避免核心间同步开销

   • 在某些情况下，如果两个需要高度协作的线程被调度到同一个物理核心（或共享缓存的核心）上，它们之间的通信（如通过共享内存）会更快。

6. 资源隔离

   • 可以将一个重要的应用程序绑定到一组专用的核心上，而将操作系统和其他后台任务绑定到另一组核心上。这样可以防止其他任务干扰关键应用的性能。

潜在缺点

• 可能造成负载不均衡：如果被绑定的核心非常繁忙，而其他核心却处于空闲状态，调度器也无法将线程迁移过去，可能导致整体性能下降。这需要开发者对负载有清晰的了解。
• 增加开发复杂性：需要开发者手动管理核心绑定策略，配置错误可能导致性能反而下降。

如何设置线程亲和性？

设置线程亲和性通常需要使用操作系统提供的API。

• Linux:

  • 使用 pthread_setaffinity_np 或 sched_setaffinity 系统调用。
  • 命令行工具 taskset 可以在启动进程时或运行时为整个进程设置亲和性。
  • 例如：taskset -c 0,2 my_program （将my_program绑定到核心0和2上运行）

• Windows:

  • 使用 SetThreadAffinityMask 或 SetProcessAffinityMask API。
  • 在任务管理器中，可以右键点击进程 -> “转到详细信息” -> 右键点击线程 -> “设置相关性”。

• Java:

  • Java本身没有直接提供设置线程亲和性的标准API。
  • 可以通过JNI（Java Native Interface）调用本地（C/C++）代码来实现。
  • 也有第三方库如 Java-Thread-Affinity 提供了简单的接口。

一个简单的比喻

把CPU核心想象成医院的医生，线程想象成病人。

• 默认调度（无亲和性）：分诊护士会把下一个病人分配给任何一个空闲的医生。这样效率最高，能最快看完所有病人。但缺点是，如果同一个病人第二次来复诊，他可能被分到另一个医生那里，新医生需要重新翻阅他的病历（相当于缓存失效），速度就慢了。

• 线程亲和性：护士会指定“张三病人永远只由李四医生接待”。这样，李四医生对张三的病历越来越熟悉（缓存保持温暖），每次复诊效率都极高。但风险是，如果李四医生很忙，即使王五医生闲着，张三也得排队等着，导致资源利用不均衡。

总结

简单来说，线程亲和性是一种用牺牲调度灵活性来换取缓存局部性和执行确定性的高级优化技术，主要用于性能至关重要的特定领域。