多核同构SMP--调度算法分析

随着智能化产品的需求不断提高，慢慢的单芯片单核处理器已经不能满足我们的需求，于是就在一个芯片上集成两个或多个核心，进而转向了多核处理器的发展，多核处理器具有更高的计算密度和更强的并行处理能力，所以它也是大趋势。多核处理器从硬件的角度来区分，又分为同构和异构：

多核同构处理器：一个处理器的多个核心的体系架构是一样的，如：T113

多核异构处理器：一个处理器中包含不同体系架构的核心，如：STM32MP157

多核处理器从软件的角度来区分，又分为SMP和AMP：

SMP：又称对称多处理（Symmetric multiprocessing），只有一个操作系统（OS）实例上运行多个核心，一个OS同等的管理各个内核，为各个内核分配工作负载，系统中所有的内核平等地访问内存资源和外设资源。

AMP：又称非对称多处理（Asymmetric Multi-Processing），每个核心运行自己的OS或同一OS的独立实例，或者说不运行OS，如运行裸机，每个内核有自己独立的内存空间，也可以和其它内核共享部分内存空间，每个核心相对独立地运行不同的任务，但是有一个核心为主要核心，它负责控制其它核心以及整个系统的运 行，而其它核心负责“配合”主核心来完成特定的任务。

本篇文章围绕SMP展开讲解。

什么是SMP

对称多处理器结构 , 英文名称为 "Symmetrical Multi-Processing" , 简称SMP。SMP又称为UMA, 全称"Uniform Memory Access", 中文名称"统一内存访问架构"。

在 " 对称多处理器结构 " 的 系统中 , 所有的处理器单元的地位都是平等的 , 一般指的是服务器设备上 , 运行的 多个 CPU , 没有 主次/从属 关系，都是平等的。

这些处理器共享所有的设备资源, 所有的资源对处理器单元具有相同的可访问性, 如: 内存, 总线等，多个CPU处理器共享相同的物理内存, 每个CPU访问相同的物理地址, 所消耗的时间是相同的;

SMP的优缺点

优点 ：避免了结构障碍, 其最大的特点是所有的资源共享。缺点：SMP架构的系统, 扩展能力有限, 有瓶颈限制。如: 内存瓶颈限制, 每个CPU处理器必须通过相同的总线访问相同的内存资源, 如果CPU数量不断增加, 使用同一条总线, 就会导致内存访问冲突; 这样就降低了CPU的性能;

操作系统如何满足SMP

公平共享: CPU的负载, 需要公平地共享, 不能出现某个CPU空闲, 造成资源浪费。

可设置线程(进程)与CPU亲和性: 可以为某些类型的线程（进程）与指定的处理器设置亲和性, 可以针对性地匹配线程（进程）与处理器。

线程（进程）迁移: 可以将线程（进程）在不同的CPU处理器之间进行迁移 。

总结：操作系统的SMP对称多处理器结构调度，核心就是将线程（进程）迁移到合适的处理器上, 并且可以保持各个处理器的负载均衡。

SMP调度方式

作者总结SMP的调度算法可以分为三种：

①线程（进程）默认核心0运行，可以指定亲和性：

当用户创建线程（进程）时，可以指定挂在到指定核心运行。当任务挂在到指定核心，那么该任务只能在该核心上运行。

当用户创建线程（进程）时，没有指定挂在到指定核心运行，线程（进程）默认挂在到核心0。该任务核心0上运行。

问题：

优点：可以规定某个核心专注的做某一件事或某一类事。

缺点：核心0的负载会很大，它需要调度其他核心不调度的任务。

适用场景：

项目需要指定核心专一处理某一件事情的时候，可以使用这种调度算法

②线程（进程）默认均分到不同核心，可以指定亲和性。

当用户创建线程（进程）时，可以指定挂在到指定核心运行。当任务挂在到指定核心，那么该任务只能在该核心上运行。

当用户创建线程（进程）时，没有指定挂在到指定核心运行，系统会判断每个核心的任务数，将该任务放在任务数最少的核心中。

问题：

优点：将任务平分给每个核心，每个核心的负载会相对均衡。

缺点：可能存在某个核心分配的任务都是比较轻的，某个核心分配的任务比较重。导致核心中的任务比较轻的，会更加容易进入空闲状态，核心中的任务比较重的，可能会一直处于忙碌状态，这样也会导致每个核心的负载不均衡。

适用场景：

项目中，所有的任务的复杂程度都差不多，可以均分到每个核心上，这样可以提高系统性能。

③线程（进程）根据核心负载获取任务调度，可以指定亲和性。

当用户创建线程（进程）时，可以指定挂在到指定核心运行。当任务挂在到指定核心，那么该任务只能在该核心上运行。

当用户创建线程（进程）时，没有指定挂在到指定核心运行，将该任务挂载一个总任务队列中，当某个核心调度空闲时，就从总任务队列中获取一个任务运行。运行完毕之后归还给总任务队列。

问题：

优点：根据每个核心的负载，均分整个系统的任务调度，提供了每个核心的利用率。

缺点：调度算法比较复杂

适用场景：

项目中不需要关心任务的具体运行到那个核心。

总结

上述的调度算法，只有第三种满足：①公平共享；②可设置线程(进程)与CPU亲和性；③线程（进程）迁移。

调度算法，第一种和第二种，只满足三个条件的某一部分。

不用的调度适用于不同的场景，需要根据实际的需求选择相应的调度算法。

审核编辑：汤梓红