作者 | frederic weisbecker
译者 | 韩志彬
策划 | 闫园园
SUSE Labs 团队深入研究了 Kernel CPU 隔离及其关键组成部分之一：Full Dynticks（或 Nohz Full），并撰写了本系列文章：
- CPU 隔离 – 简介
- CPU 隔离 – Full Dynticks 深探
- CPU 隔离 – Nohz_full
- CPU 隔离 – 管理和权衡
- CPU 隔离 – 实践
本文为系列的首篇。
CPU 隔离是一套强大的功能，旨在支持那些对延迟或性能有极端要求的工作负载设置。某些 DPDK（数据平面开发套件：https://www.php.cn/link/4f9959469b99179f25fd5cf84f4cde62 CPU 隔离的文档和注释即使没有落后于最新的开发进程，也往往过于分散。理解现有调试范围背后的优势和权衡并非易事。本系列文章旨在阐明并引导用户了解我们在 Linux 社区（https://www.php.cn/link/8deb714d5a66d70cf8deac8cd3f79734 SLE15 产品（https://www.php.cn/link/e913bfa37964c7073c81c32a6d750b99 Linux Kernel 子系统。
回归本源
内核的作用是通过统一接口提供基本服务，从而利用硬件资源作为工作负载运行的基础。
我们可以用城市基础设施来类比：道路、能源、供水、污水处理为人类活动提供支持。每个人都希望基础设施是透明且可靠的。我们希望它们能发挥作用，同时希望永远不要意识到它们的存在。但有时，我们不得不这样做，因为最终每一项基础设施都需要维护。
内核与此类似。它通过系统调用、同步请求提供服务，并通过异步处理来履行职责并维护内部状态，例如中断、计时器和内核线程。当然，这是一种简化的描述，省略了许多细节。
内务管理和内核噪音
如果这些异步工作中的一些对用户有明显影响，比如页面回收（内存交换操作），那么其余的大部分工作都是无感知的。计时器和中断在很短的时间内（通常以微秒计）执行；许多内核线程，其中一些是工作队列，执行时间也不应过长，尤其是它们的 CPU 时间通过调度程序进行平衡的时候。这些内核异步代码片段通常被称为“内务管理”工作。其中一些可以与特定的 CPU 绑定，另一些则可以解除绑定，因此可以在任何 CPU 上执行。
PHP5学习对象教程由美国人古曼兹、贝肯、瑞桑斯编著，简张桂翻译，电子工业出版社于2007年12月1日出版的关于PHP5应用程序的技术类图书。该书全面介绍了PHP 5中的新功能、编程方法及设计模式，还分析阐述了PHP 5中新的数据库连接处理、错误处理和XML处理等机制，帮助读者系统了解、熟练掌握和高效应用PHP。
现在，如果多面手用户的工作负载不会因内核管理而产生负担，一些更专业的需求显然可能会受到干扰。对于需要整个 CPU 时间且不能容忍任何时钟周期被占用的处理任务，情况正是如此。DPDK（https://www.php.cn/link/b46825e256dea79fb588e5455ed7fe58 CPU 来实现其目标：例如，希望以最大化方式为客户机提供 CPU 资源的虚拟化主机、为获得稳定结果而进行的 CPU 绑定的基准测试、特定的实时需求等。
定时器中断
让我们从定时器中断出发，更详细地探索内核管理的世界。定时器作为内核的核心组件，过去一直是难以消除的干扰源。中断是指在每个 CPU 上以 100 到 1000 Hz 的频率执行的周期性定时器中断，有些架构提出了更高的数值。它执行多项工作：
- 运行过期的通用计时器回调
- 跳过 posix CPU 定时器，并运行已经过期的定时器
- 计时：维护内部时钟 (jiffies) 和外部时钟 (gettimeofday())
- 调度程序：维护内部状态、公平性和优先级（任务优先级）
- 维护全局平均负载
- 维护性能事件等
毫无疑问，对于依赖于无干扰、无抖动 CPU 的极端工作负载来说，这种每秒执行 100 到 1000 次的中断可能是一个问题。虽然很快，但这些中断仍然会占用一些 CPU 周期，并会破坏 CPU 缓存，导致在中断后恢复用户任务时丢失缓存。因此，我们希望节省这些工作负载的时间。
这个问题难以解决，因为 CPU 的计时器中断不能像许多其他硬件 IRQ 一样与另一个 CPU 绑定。它也不能采用线程方式。从根本上说，考虑到其工作性质，这个问题必须在 CPU 范围内局部解决。事实上，直到内核版本 2.6.21（2007）发布，打破中断周期的机制根本不存在。其行为如下图所示：
图 1：周期计时器中断的实现
从图中可以看出，中断会盲目触发并一直中断 CPU，无论 CPU 是在内核空间、用户空间还是处于空闲状态。这种布局仍可以使用 CONFIG_HZ_PERIODIC 恢复；早在 2007 年，这种恢复方式必须解决的第一个问题是优化功耗。事实上，当 CPU 空闲时，不需要中断，因为没有真正的工作要做，而 CPU 可以从关闭周期性中断中获益，以进入低功耗模式。这就是 CONFIG_NO_HZ_IDLE（以前称为 CONFIG_NO_HZ: https://www.php.cn/link/dd96eaef5612dd405d9d087ab539e38e:
图 2：dynticks- 空闲计时器中断的实现
请记住：对于以无抖动 CPU 为目标的工作负载，我们更希望在无中断的情况下运行实际任务。详情请关注本系列第二篇文章。
