Windows中CPU核心绑定技术详解

在某些情况下，为了提高程序的执行效率，需要将程序绑定到指定的CPU核心上。微软官方文档提供了两个Win32函数：SetThreadAffinityMask和SetProcessAffinityMask，用于为指定线程和进程设置处理器关联掩码，实现在指定CPU核心上执行线程或进程。需要注意，在这里的CPU核心指的是逻辑核心，而非物理核心。

CPU核心指的是逻辑核心，而非物理核心。

SetThreadAffinityMask

SetThreadAffinityMask函数定义

SetThreadAffinityMask的定义如下：

DWORD_PTR SetThreadAffinityMask(
  [in] HANDLE    hThread,
  [in] DWORD_PTR dwThreadAffinityMask
);

SetThreadAffinityMask函数需要传递两个参数：

• hThread ：指向要设置处理器关联的线程句柄。如果想设置当前线程的关联掩码，可以使用 GetCurrentThread() 函数获取句柄。
• dwThreadAffinityMask ：处理器的关联掩码，是一个DWORD_PTR类型的值，长度共8个字节（64位），每一位代表一个CPU核心。

如果需要支持超过64核的CPU时，则需要使用SetThreadGroupAffinity函数。

为了更清晰的表达dwThreadAffinityMask的含义，可以用二进制数表示该值。比如，如果需要把线程绑定到第0个核心，dwThreadAffinityMask=0B_0001（0x01），绑定到第1个核心则为dwThreadAffinityMask=0B_0010（0x02），以此类推。如果要绑定到多个CPU核心，例如第1和2个CPU核心，则dwThreadAffinityMask=0B_0110，对应的十六进制数是0x06。

调用示例

首先引入Win32API：

[DllImport("kernel32.dll")]
static extern UIntPtr SetThreadAffinityMask(IntPtr hThread, UIntPtr dwThreadAffinityMask);

[DllImport("kernel32.dll")]
static extern IntPtr GetCurrentThread();

由于dwThreadAffinityMask的值是按照$2^n$的指数递增，与通常习惯指定第n个核心不符，并且不同的设备CPU核心数不一样，指定CPU核心时可能超出CPU核心数量，因此可以对指定CPU核心做个简单的处理：

static ulong SetCpuID(int lpIdx)
{
    ulong cpuLogicalProcessorId = 0;
    if (lpIdx < 0 || lpIdx >= System.Environment.ProcessorCount)
    {
        lpIdx = 0;
    }
    //通过移位运算转换lgidx->dwThreadAffinityMask:0->1,1->2,2->4,3->8,……
    cpuLogicalProcessorId |= 1UL << lpIdx;
    return cpuLogicalProcessorId;
}

接下来就可以进行测试了：

ulong LpId = SetCpuID((int)lpIdx);
SetThreadAffinityMask(GetCurrentThread(), new UIntPtr(LpId));

Stopwatch stopwatch = new Stopwatch();
stopwatch.Start();
for (int i = 0; i < 1000000; i++)
{
    for (int j = 0; j < 1000000; j++)
    {
        int _data = j;
    }
}
stopwatch.Stop();
Console.WriteLine("运行时间: " + stopwatch.ElapsedMilliseconds.ToString());

效果如下图所示：

SetProcessAffinityMask

SetProcessAffinityMask与SetThreadAffinityMask非常相似，不同的是其作用于整个进程，可以决定进程内的所有线程共同运行在指定的处理器上。

函数定义如下：

BOOL SetProcessAffinityMask(
  [in] HANDLE    hProcess,
  [in] DWORD_PTR dwProcessAffinityMask
);

和SetThreadAffinityMask一样，也是需要传递两个参数，只不过第一个参数传递的是线程的句柄。

小结

在某些情况下，可以通过SetThreadAffinityMask和SetProcessAffinityMask提高程序执行效率，主要基于以下几个原因：

• 提高性能：通过将线程绑定到特定的处理器，可以减少线程在不同处理器之间的切换开销，尤其是在多核系统中，有助于提升程序的执行效率。
• 避免缓存抖动：确保线程始终在同一个处理器上运行，可以减少缓存未命中，因为相关的数据更可能保留在该处理器的高速缓存中。
• 实时系统和并发控制：在需要严格控制线程执行位置的情况下，比如实时系统或某些并发控制策略中，通过设定处理器关联可以满足特定的调度需求。需要注意的是，SetThreadAffinityMask和SetProcessAffinityMask并不是独占CPU核心，如果关联的CPU核心本身负载就很高，这个时候程序执行效率反而会降低。

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