Linux内核支持多核是如何实现的？ (linux 内核 多核)
随着计算机硬件技术的不断发展，多核处理器已经成为了现代计算机的重要组成部分。而Linux作为更流行的开源操作系统之一，已经提供了对多核处理器的完全支持。那么，Linux内核支持多核是如何实现的呢？本文将探讨Linux内核支持多核的实现原理。
了解多核处理器
在探讨Linux内核支持多核的实现原理之前，我们需要了解多核处理器的工作原理。多核处理器就是在一个物理处理器集成两个或多个核心。每个核心都是一个完整的处理器，可以处理一个线程。因此，多核处理器可以同时处理多个线程，从而提高计算机的性能。
多核处理器的性能提高取决于多个因素，包括程序的并行性、内存带宽、线程间通信的效率等。有时候，由于多个线程竞争同一个资源，可能会出现性能瓶颈。因此，合理地使用多核处理器需要更高的系统优化水平。
Linux内核如何支持多核？
1. 处理器亲和性
处理器亲和性是一种机制，用于将进程绑定到特定的处理器核心上。在Linux内核中，处理器亲和性是通过 sched_setaffinity() 系统调用实现的。这个系统调用可以将进程绑定到一个或多个特定的处理器上。通过处理器亲和性机制，可以使得进程优先在绑定的处理器上运行，从而提高系统的性能。
2. 任务调度
Linux内核对于多核处理器的支持，还涉及到任务调度机制。任务调度是指内核决定哪个进程占用处理器的时间。在多核处理器中，任务调度需要考虑许多因素，例如处理器亲和性、负载均衡等。内核的调度器必须合理地分配处理器内核，从而保证每个进程都可以获得足够的时间片，使系统保持高效运行。
3. 中断处理
中断处理是指当系统硬件设备发生需要处理的事件时，中断处理程序被调用处理这个事件。在多核处理器中，中断处理需要考虑到每个核心的中断处理程序的并发性。 Linux内核通过使用自旋锁和信号量等机制来处理并发中断请求，保证每个内核都可以按照正确的顺序处理中断请求，确保系统的稳定运行。
4. 线程同步
在多核处理器中，线程同步是非常重要的因素，如果没有得到正确的处理，可能会导致系统的不稳定。线程同步是指当多个线程访问共享资源时，确保每个线程访问时机的协调性。在Linux内核中，线程同步是通过锁机制来实现的。锁机制确保每个线程能够按照正确的先后顺序访问共享资源，从而防止出现访问冲突，导致系统的不稳定。
在多核处理器上，Linux内核支持多核的实现是一个复杂而细致的工作。Linux内核提供了处理器亲和性、任务调度、中断处理和线程同步等机制来优化多核处理器的运行。这样就可以充分利用多核处理器的优势，提高计算机的性能。了解Linux内核支持多核的实现原理不仅可以让我们更好地使用计算机，还可以在优化系统性能方面着手进行更深层次的工作。
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第孝耐二个问题，如果你的程序的线程数少于CPU的核心数，且系统此时没有其他进程同时运行，那么这个程序的每个线程会享有一个CPU，当同时运行的线程数多于CPU核心数时，CPU会采用一定的调度算法每隔一段时间就将这些线程调入或调出CPU，以宽掘确保每个线程都能分享一部分CPU时间，实现多线程并发。
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多核并行编程的挑战
目前主流的计算机都是冯诺依曼架构，即共享内存的计算模型，这种过程计算模乱仿型对并行计算并不友好。下图是一种典型的计算机硬件体系架构。
这种架构中，有如下设计特点：
多个CPU核改善处理器的计算处理能力；
多级cache改善CPU访问主存的效率；
各个CPU都有本地内存（NUMA（非一致性内存访问）），进一步改善CPU访问主存的效率；
store buffer模块改善cache write由于应答延迟而造成的写停顿问题；
invalidate queue模块改善使无效应答的时延，把使无效命令放入queue后就立即发送应答；
外设DMA支持直接访问主存，改善CPU使用效率；
这些硬件体系设计特点也引入很多问题，更大的问题就是cache一致性问题和乱序执行问题。
cache一致性问题由cache一致性协议MESI解决，MESI由硬件保禅逗证，对软件来说是透明的。MESI协议保证所有CPU对单个cache line中单个变量修改的顺序保持一致，但不保证不同变量的修改在所有CPU上看到的是相同顺序。这就造成了乱序。不仅如此，乱序的原因还有很多：
store buffer引起的延迟处理，会造成乱序；
invalidate queue引起的延迟处理，会造成乱序；
编译优化，会造成乱序；
分支预测、多流水线等CPU硬件优化技术，会造成乱序；
外设DMA，会造成数据乱序；
这种情况造成，就连简单的++运算操作的原子性都无法保证。这些问题必须采用多核并行编程新的技术手段来解决。
多核并行编程关键技术
锁技术
Linux kernel提供了多种锁机制，如自旋锁、信号量、互斥量、读写锁、顺序锁等。各种锁的简单比较如下，具体实现和使用细节这里就不展开了，可以参考《Linux内核设计与实现》等书的相关章节。
自旋锁，不休眠，无进程上下文切换开销，可以用在中断上下文和临界区小的场合；
信号量，会休眠，支持同时多个并发体进入临界区，可以用在可能休眠或者长的临界区的场合；
互斥量，类似与信号量，但只支持同时只有一个并发体进入临界区；
读写锁，支持读并发，写写/读写间互斥，读会延迟写，对读友好，适用读侧重场合；
顺序锁，支持读并发，写写/读写间互斥，写会延迟读，对写友好，适用写侧重场合；
锁技术虽然能有效地提供并行执行下的竞态保护，但锁的并行可扩展性很差，无法充分发挥多核的性能优势。锁的粒度太粗会限制扩展性，粒度太细会导致巨大的系统开销，而且设计难度大，容易造成死锁。除了并发可扩展性差和死锁外，锁还会引入很多其他问题，如锁惊群、活锁、饥饿、不公平锁、优先级反转等。不过也有一些技术手段或指导原则能解决或减轻这些问题的风险。
按统一的顺序使用锁（锁的层次），解决死锁问题；
指数后退，解决活锁/饥饿问题；
范围锁（树状锁），解决锁惊群问题；
优先级继承，解决优先级反转问题 ；
原子技术
原子技术主要是解决cache和内存不一致性和乱序执行对原子访问的破坏问题。Linux kernel中主要的原子原语有：
ACCESS_ONCE()、READ_ONCE() and WRITE_ONCE()：禁止编译器对数据访问的优化，强制从内存而不是缓存中获取数据；
barrier()：乱序访问内存屏障，限制编译器的乱序优化；
b_wmb()：写内存屏障，刷新store buffer，同时限制编译器和CPU的乱序优化；
b_rmb()：读内存屏障，刷新invalidate queue，同时限制编译器和CPU的乱序优化；
b_mb()：读写内存屏障，同时刷新store buffer和invalidate queue，同时限制编译器和CPU的乱序优化；
atomic_inc()/atomic_read()等：整型原子操作；
严格来说，Linux kernel作为系统软件，实现受硬件影响很大，不同硬件有不同的内存模型，因此，不同于高级语言，Linux kernel的原子原语语义并没有一个统一模型。比如在P的ARM64 CPU上，barrier、b_wmb、b_rmb的实现与b_mb都是一样的，都是volatile (“” ::: “memory”)。
另外，再多提一句的是，atomic_inc()原语为了保证原子性，需要对cache进行刷新，而缓存行在多核体系下传播相当耗时，其多核下的并行可扩展性差。
无锁技术
上一小节中所提到的原子技术，是无锁技术中的一种，除此之外，无锁技术还包括RCU、Hazard pointer等。值得一提的是，这些无锁技术都基于内存屏障实现的。
Hazard pointer主要用于对象的生命周期管理，类似引用计数，但比引用计数有更好的并行可扩展性；
RCU适用的场景很多，其可以替代：读写锁、引用计数、垃圾回收器、等待事物结束等，而且有更好的并行扩展性。但RCU也有一些不适用的场景，如写侧重；临界区长；临界区内休眠等场景。
不过，所有的无锁原语也只能解决读端的并行可扩展性问题，写端的并行可扩展性只能通过数据分割技术来解决。
数据分割技术
分割数据结构，减少共享数据，是解决并行可扩展性的根本办法。对分割友好（即并行友好）的数据结构有：
数组
哈希表
基树（Radix Tree）/稀疏数组
跳跃列表（skip list）
使用这些便于分割的数据结构，有利于我们通过数据分割来改善并行可扩展性。
除了使用合适的数据结构外，合理的分割指导规则也很重要：
读写分割：以读为主的数据与以写为主的数据分开；
路径分割：按独立的代码执行路径来分割数据；
专项分割：把经常更新的数据绑定到指定的CPU/线程中；
所有权分割：按CPU/线程个数对数据结构进行分割，把数据分割到per-cpu/per-thread中；
4种分割规则中，所有权分割是分割最彻底的。
以上这些多核并行编程内容基本上涵盖了Linux kernel中所有的并发编程关键技术。当然并行编程还有很多其他技术没有应用到Linux kernel中的，如无副作用的并行函数式编程技术（Erlang/Go等）、消息传递、MapReduce等等。
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