[大数据]第十七章 为什么CPU结构也会影响Redis的性能

第十七章 为什么CPU结构也会影响Redis的性能 ?

主流的 CPU 架构

• 一个 CPU 处理器中一般有多个运行核心，我们把一个运行核心称为一个物理核，每个物理核都可以运行应用程序。每个物理核都拥有私有的一级缓存（Level 1 cache，简称 L1 cache），包括一级指令缓存和一级数据缓存，以及私有的二级缓存（Level 2 cache，简称 L2 cache）。

• 不同的物理核还会共享一个共同的三级缓存（Level 3 cache，简称为 L3 cache）。L3 缓存能够使用的存储资源比较多，所以一般比较大，能达到几 MB 到几十 MB，这就能让应用程序缓存更多的数据。当 L1、L2 缓存中没有数据缓存时，可以访问 L3，尽可能避免访问内存。
• 主流的 CPU 处理器中，每个物理核通常都会运行两个超线程，也叫作逻辑核。同一个物理核的逻辑核会共享使用 L1、L2 缓存。

• 在主流的服务器上，一个 CPU 处理器会有 10 到 20 多个物理核。同时，为了提升服务器的处理能力，服务器上通常还会有多个 CPU 处理器（也称为多 CPU Socket），每个处理器有自己的物理核（包括 L1、L2 缓存），L3 缓存，以及连接的内存，同时，不同处理器间通过总线连接。

• 在多 CPU 架构上，应用程序可以在不同的处理器上运行。在刚才的图中，Redis 可以先在 Socket 1 上运行一段时间，然后再被调度到 Socket 2 上运行。
• 如果应用程序先在一个 Socket 上运行，并且把数据保存到了内存，然后被调度到另一个 Socket 上运行，当一个程序调度的CPU和使用的内存不属于同一个CPU处理器的时候， 需要远端内存访问去访问之前的数据， 这样的访问是会增加相应延迟的。
• 在多 CPU 架构下，一个应用程序访问所在 Socket 的本地内存和访问远端内存的延迟并不一致，所以，我们也把这个架构称为非统一内存访问架构（Non-Uniform Memory Access，NUMA 架构）。

CPU 架构对应用程序运行的影响有哪些 ?

• L1、L2 缓存中的指令和数据的访问速度很快，所以，充分利用 L1、L2 缓存，可以有效缩短应用程序的执行时间。
• 在 NUMA 架构下，如果应用程序从一个 Socket 上调度到另一个 Socket 上，就可能会出现远端内存访问的情况，这会直接增加应用程序的执行时间。

CPU 多核对 Redis 性能的影响

• 在一个 CPU 核上运行时，应用程序需要记录自身使用的软硬件资源信息（例如栈指针、CPU 核的寄存器值等），我们把这些信息称为运行时信息。
• 同时，应用程序访问最频繁的指令和数据还会被缓存到 L1、L2 缓存上，以便提升执行速度。
• 在多核 CPU 的场景下，一旦应用程序需要在一个新的 CPU 核上运行，那么，运行时信息就需要重新加载到新的 CPU 核上。
• 而且，新的 CPU 核的 L1、L2 缓存也需要重新加载数据和指令，这会导致程序的运行时间增加。

多核 CPU 运行 Redis 慢的原因：

• 一个核运行，需要记录运行到哪里了，切换到另一个核的时候，需要把记录的运行时信息同步到另一个核上。
• 另一个 CPU 核上的 L1、L2 缓存中，并没有 Redis 实例之前运行时频繁访问的指令和数据，所以，这些指令和数据都需要重新从 L3 缓存，甚至是从内存中加载。这个重新加载的过程是需要花费一定时间的。
• 所以，我们要避免 Redis 总是在不同 CPU 核上来回调度执行。

怎么样才能让 Redis 实例固定运行在一个 CPU 核上呢 ?

• 可以使用 taskset 命令把一个程序绑定在一个核上运行。
• 可以通过执行下面的命令，就把 Redis 实例绑在了 0 号核上，其中，“-c” 选项用于设置要绑定的核编号。

taskset -c 0 ./redis-server

• 在 CPU 多核的环境下，通过绑定 Redis 实例和 CPU 核，可以有效降低 Redis 的尾延迟。

CPU 的 NUMA 架构对 Redis 性能的影响

Redis 实例和网络中断程序的数据交互过程：

• 网络中断处理程序从网卡硬件中读取数据，并把数据写入到操作系统内核维护的一块内存缓冲区。
• 内核会通过 epoll 机制触发事件，通知 Redis 实例，Redis 实例再把数据从内核的内存缓冲区拷贝到自己的内存空间。

怎么样才能有效提升 Redis 的网络处理性能呢 ?

• 为了提升 Redis 的网络性能，把操作系统的网络中断处理程序和 CPU 核绑定，这样可以避免网络中断处理程序在不同核上来回调度执行。
• 为了避免 Redis 跨 CPU Socket 访问网络数据，我们最好把网络中断程序和 Redis 实例绑在同一个 CPU Socket 上，这样一来，Redis 实例就可以直接从本地内存读取网络数据了。

• 在绑核的同时，一定要注意 NUMA 架构下 CPU 核的编号方法，这样才不会绑错核。

NUMA 架构下 CPU 核的编号规则：

• 在 CPU 的 NUMA 架构下，对 CPU 核的编号规则，并不是先把一个 CPU Socket 中的所有逻辑核编完，再对下一个 CPU Socket 中的逻辑核编码，
• 而是先给每个 CPU Socket 中每个物理核的第一个逻辑核依次编号，再给每个 CPU Socket 中每个物理核的第二个逻辑核依次编号。

绑核的风险和解决方案

Redis 除了主线程以外，还有用于 RDB 生成和 AOF 重写的子进程，此外还有 Redis 的后台线程

• 当我们把 Redis 实例绑到一个 CPU 逻辑核上时，就会导致子进程、后台线程和 Redis 主线程竞争 CPU 资源，
• 一旦子进程或后台线程占用 CPU 时，主线程就会被阻塞，导致 Redis 请求延迟增加。
• 针对这种情况，有两种解决方案：

方案一：一个 Redis 实例对应绑一个物理核

• 在给 Redis 实例绑核时，我们不要把一个实例和一个逻辑核绑定，而要和一个物理核绑定，也就是说，把一个物理核的 2 个逻辑核都用上。
• 和只绑一个逻辑核相比，把 Redis 实例和物理核绑定，可以让主线程、子进程、后台线程共享使用 2 个逻辑核，可以在一定程度上缓解 CPU 资源竞争。
• 但是，因为只用了 2 个逻辑核，它们相互之间的 CPU 竞争仍然还会存在。

方案二：优化 Redis 源码

这个方案就是通过修改 Redis 源码，把子进程和后台线程绑到不同的 CPU 核上。

通过编程实现绑核时，要用到操作系统提供的 1 个数据结构 cpu_set_t 和 3 个函数 CPU_ZERO、CPU_SET 和 sched_setaffinity

• cpu_set_t 数据结构：是一个位图，每一位用来表示服务器上的一个 CPU 逻辑核。
• CPU_ZERO 函数：以 cpu_set_t 结构的位图为输入参数，把位图中所有的位设置为 0。
• CPU_SET 函数：以 CPU 逻辑核编号和 cpu_set_t 位图为参数，把位图中和输入的逻辑核编号对应的位设置为 1。
• sched_setaffinity 函数：以进程 / 线程 ID 号和 cpu_set_t 为参数，检查 cpu_set_t 中哪一位为 1，就把输入的 ID 号所代表的进程 / 线程绑在对应的逻辑核上。

怎么在编程时把这三个函数结合起来实现绑核呢 ?

• 第一步：创建一个 cpu_set_t 结构的位图变量；
• 第二步：使用 CPU_ZERO 函数，把 cpu_set_t 结构的位图所有的位都设置为 0；
• 第三步：根据要绑定的逻辑核编号，使用 CPU_SET 函数，把 cpu_set_t 结构的位图相应位设置为 1；
• 第四步：使用 sched_setaffinity 函数，把程序绑定在 cpu_set_t 结构位图中为 1 的逻辑核上。

分别把后台线程、子进程绑到不同的核上的做法

• 后台线程

//线程函数
void worker(int bind_cpu){
    cpu_set_t cpuset;  //创建位图变量
    CPU_ZERO(&cpu_set); //位图变量所有位设置0
    CPU_SET(bind_cpu, &cpuset); //根据输入的bind_cpu编号，把位图对应位设置为1
    sched_setaffinity(0, sizeof(cpuset), &cpuset); //把程序绑定在cpu_set_t结构位图中为1的逻辑核

    //实际线程函数工作
}

int main(){
    pthread_t pthread1
    //把创建的pthread1绑在编号为3的逻辑核上
    pthread_create(&pthread1, NULL, (void *)worker, 3);
}

对于 Redis 来说，它是在 bio.c 文件中的 bioProcessBackgroundJobs 函数中创建了后台线程。bioProcessBackgroundJobs 函数类似于刚刚的例子中的 worker 函数，在这个函数中实现绑核四步操作，就可以把后台线程绑到和主线程不同的核上了。

• fork 创建子进程

int main(){
   //用fork创建一个子进程
   pid_t p = fork();
   if(p < 0){
      printf(" fork error\n");
   }
   //子进程代码部分
   else if(!p){
      cpu_set_t cpuset;  //创建位图变量
      CPU_ZERO(&cpu_set); //位图变量所有位设置0
      CPU_SET(3, &cpuset); //把位图的第3位设置为1
      sched_setaffinity(0, sizeof(cpuset), &cpuset);  //把程序绑定在3号逻辑核
      //实际子进程工作
      exit(0);
   }
   ...
}

• 对于 Redis 来说，生成 RDB 和 AOF 日志重写的子进程分别是下面两个文件的函数中实现的：
  • rdb.c 文件：rdbSaveBackground 函数；
  • aof.c 文件：rewriteAppendOnlyFileBackground 函数。
• 这两个函数中都调用了 fork 创建子进程，所以，我们可以在子进程代码部分加上绑核的四步操作。

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