CPU明明8個核，網卡為啥拼命折騰1號核？
前段時間分享的一篇《完了!CPU 一味求快出事了》得到了眾多網友的好評，今天我們就來繼續探討 CPU 的那些事!
CPU明明8個核，網卡為啥拼命折騰1號核?
中斷機制
我是 CPU 一號車間的阿 Q，我又來了!
我們日常的工作就是不斷執行代碼指令，不過這看似簡單的工作背后其實也并不輕松。
咱不能悶著頭啥也不管一個勁的只管執行代碼，還得和連接在主板上的其他單位打交道。
經常保持聯系的有鍵盤、鼠標、磁盤，哦對，還有網卡，這家伙最近把我惹到了，待會再說這事兒。
原以為內存那家伙已經夠慢的了，沒想到跟上面這幾位通個信比他更慢，咱 CPU 工廠的時間一刻值千金，不能干等著，耽誤工夫。后來廠里一合計，想了個叫中斷的辦法。
在我們車間裝了個大燈，這些單位想聯系我們辦事兒，就先給我們發一個中斷信號，大燈就會自動亮起。
我們平時工作執行代碼指令的時候，每執行一條指令就會瞅一眼看看大燈有沒有亮起來。
一旦發現燈亮了，就把手頭的工作先放一邊，去處理一下。
我們記性很差的，等會處理了完了還得回來接著原來的活繼續干，為了等會回來還能接的起來，走之前得把當前執行的這個線程的各個寄存器的值，執行到哪里了等等這些信息都保存在這個線程的棧里去。
不過有時候我們在執行非常重要的事情的時候，就不想被他們打斷。于是我們又在車間里那個 eflags 寄存器中設置了一個標記，如果是 1 我們才允許被打斷，如果是 0 那就算天王老子找我們也不管了。
哦不對，還有一種不可以屏蔽的中斷 NMI，走得是綠色通道。不過我可不期望有這種事情發生，因為一般都沒有好事，不是電源斷電就是溫度過高，或者總線出了錯誤等這之類嚴重的事情。
8259A PIC
還有一個問題，找我們辦事兒的單位有很多，我們得要區分開來，到底是誰來消息了，而且要是他們一起來找，按什么樣優先級順序處理，也是一件頭疼的事情。
為此，廠里單獨組建了一個全資的子公司來負責這事兒，他就是可編程中斷控制器 PIC，外號 8259A，其他單位想聯系我們都得通過這個 PIC，我們只需要和 PIC 進行對接就可以了。
我們給辦事單位都分配了一個編號，叫做中斷向量。我們還準備了一個表格叫中斷描述符表 IDT，表格里記錄了很多信息，其中就有處理這個中斷號對應的函數地址。
我們找 PIC 拿到編號后就執行處理函數就 OK 了。
這個表格有點大，足足有 256 項，咱 CPU 車間空間有限，放不下，就把它放在內存那家伙那里了，為了能快速找到這個表，專門添置了一個叫 idtr 的寄存器指向這個表格。
其實除了中斷，我們在執行指令的時候如果遇到了異常情況，也會去這個表里執行異常處理函數，最常見的比如遇到了除數是 0，內存地址錯誤等等情況。
這種情況下，我們必須主動放下手里的活，去處理異常，所以我們也說異常是同步的，而中斷不知道什么時候發生，所以是異步的。
APIC
8259A 干的挺不錯的，不過后來咱們廠擴大規模，從單核 CPU 變成了多核，他就有點應付不過來了。
終于有一天，廠里召開會議，把 8259A 給撤了，成立了一個新的全資子公司叫高級可編程中斷控制器 APIC，名字就多了個高級兩個字，干的活還是一樣的。
不過你還別說，這兩個字還真不是吹噓，比 8259A 不知道高到哪里去了。
這個 APIC 的新公司一上臺，就成立了兩個部門，一個叫 I/O APIC，負責接待那些要找我們辦事兒的單位，一個叫 Local APIC，以外包的形式入駐到我 CPU 的各個車間工作，因為就挨著我們辦公，所以取名叫 Local。
I/O APIC 收到中斷信號以后，根據自己的策略就分發到對應的 Local APIC，咱們八個車間就可以專心處理了，為我們省了不少事兒。
不僅如此，通過這個外包團隊，我們 8 個車間還能向彼此發起中斷請求，我們把這個叫做處理器間中斷 Inter-Processor Interrupt，簡稱 IPI。
中斷親和性
每當網絡中有數據包到來，網卡那家伙就發送一個中斷消息過來，告訴我們去處理。
不過最近不知道怎么回事，網絡數據量激增。咱們廠里明明有 8 個車間，他非得一個勁的只給我們發消息，搞得我們手頭的工作老是被打斷，忙得不可開交。
終于，我忍不住了，去找網卡那家伙理論了一番。不過他告訴我，這也不能怪他，分發給誰處理，那是 APIC 在負責。
想想也是，回頭我就去了 APIC 那里，要求他們分攤一點給別的車間處理。
APIC 表示這他們做不了主，得讓廠里來決定。
沒過幾天，廠里開了個會，參會的有各車間代表、APIC 負責人，還請了操作系統那邊的相關代表過來。
會上，大家為了此事爭執不休。
二號車間虎子：“阿 Q，誰叫你們一號車間是 Bootstrap Processor，你們就多辛苦一點嘛”。
三號車間代表：“你這話說的不合適，大家是一個 Team，要互相幫助!要不這樣，既然有這么多單位要聯系我們，咱就分下工，比如一號車間負責網卡，二號負責磁盤，我們三號負責鍵盤，以此類推。”
五號車間代表：“你想的倒是挺美哦，鍵盤一天能發多少中斷，網卡一天要發多少中斷，你凈挑輕松的干。這樣吧，咱就用隨機分發進行負載均衡你們覺得怎么樣?”
八號車間代表：“隨機個啥啊，多麻煩，依我看吶咱 8 個車間就輪流來唄。”
這時，領導問操作系統代表有沒有什么建議。
這代表站起身來，推了推眼鏡說到：“幾位有沒有聽過線程的 CPU 親和性?”
大家都搖了搖頭，問到：“這是個什么意思?”
“就是有些線程想綁定在你們之中的某一個核上面執行，不希望一會兒在這個核執行，一會兒在那個核執行。”
我接過他的話：“好像是有這么回事兒，之前有遇到過，有個線程一直被分配到我們一號車間，不過我們對這個不用關心吧，執行誰不是干活啊，對我們都一個樣。”
代表搖了搖頭，“唉，這可不一樣!你們每個核的一二級緩存都是自己在管理，要是換到別的核，這緩存多半就沒用了，又得重新來建立，這換來換去的豈不是瞎耽誤功夫嘛!對于一般的線程他們倒是不關心，但是有些線程執行大量的內存訪問和運算處理，又對性能要求很高的話，那就很在意這個問題了。”
我們幾個都恍然大悟，紛紛點頭。
虎子起身問到：“那你們是如何實現這個親和性的呢?這跟我們今天的會議又有什么關系呢?”
代表繼續回答說到：“我先回答你的第一個問題。線程調度是我們操作系統完成的工作，我們提供了 API 接口，線程通過調用這些接口表明自己的親和性意愿，我們在調度的時候就能按照他們的意愿把線程分配給你們來執行。”
代表喝了一口水接著說到：“我再回答你的第二個問題。既然線程可以有親和性，那中斷也可以按照這個思路來分發啊!APIC 默認有一套分發策略，但是也提供親和性的設置，可以指定誰哪些核來處理，這樣不用把規矩定死，靈活可變，豈不更好?”
剛說完，會議室門口突然出現一年輕少年，揮手將操作系統代表喚了出去。
接下來，我們詳細討論了這種方案的可行性，最后大家一致決定，就照這么辦。
我們一起提出了一個叫中斷親和性的東西，操作系統那邊提供一個可配置的入口 smp_affinity，可以通過設置各處理器核的掩碼來決定中斷交由誰來處理，APIC 回去負責落地支持。
有了這套方案，再遇到網絡高峰期，咱們一號車間的壓力就有辦法緩解了。
我們剛剛達成一致，操作系統代表返回會議室，神色凝重的說到：“不好意思各位，操作系統那邊有點事情需要趕回去處理一下，先走一步了。”
隨著網卡的一聲中斷，一個新的數據包來到了這片土地。帝國網絡部新來的年輕人顯然沒有意識到危險的到來······
太慢不能忍!CPU 又拿硬盤和網卡開刀了!
總線技術
我是 CPU 一號車間的阿 Q，最近為了一件事兒搞得我挺煩的。
當初我們 CPU 工廠剛剛來到主板上建廠時，那時候主板上的單位還不多，跟我們打交道最多的就是內存那家伙了。
后來，鍵盤、鼠標、硬盤、網卡、聲卡、顯卡等等設備紛紛入駐主板，這塊土地變得越來越熱鬧起來。
不過，他們的到來并沒有影響我們的地位，畢竟我們是中央處理器，所有人都得聽我們指揮。
為了和主板上這些家伙們通信，我們花了重金鋪了一條線路，主板上家家戶戶都連上了這條線路，我們把它叫做總線，雖然說是一條，但實際上它包含了傳輸數據的數據總線，傳輸地址的地址總線和進行控制管理的控制總線。
這樣一來，各單位就能一起聊天了。不過這線路是共用的，大家不能都一起傳數據，那就亂套了。
為了統一管理，我們設立了一個新的單位叫總線控制器，這個單位來統一管理總線，大家要通信就得找它申請，這就叫做總線仲裁。
不過啊，主板上的單位之間的速度還是千差萬別的，像內存就比硬盤、網卡這些單位快多了(當然，跟我們 CPU 車間的工作速度那還是不能比)。
不僅如此，不同單位他們的接口還千差萬別，用一套總線矛盾就日益明顯了，后來就變成了多級總線，讓慢的跟慢的玩，快的跟快的玩，最后大家再用一個東西把不同總線連接起來，這個東西就是橋!
主板上后來出現了兩個著名的橋，一個離我們 CPU 很近的叫北橋，內存那家伙和我們通信就會經過它，另一個離我們遠一點的叫南橋，那些慢一些的 I/O 設備就通過南橋接進來。
再后來，隨著我們 CPU 工廠的壯大，直接把北橋收購了，現在變成了我們廠里的一個部門了。
PIO 模式
現在我們可以和這些 I/O 設備通信了，就拿硬盤來說吧，它有 I/O 端口，我們提供了 in 和 out 兩條指令，就可以對它進行讀寫數據了。
這種通信的方式叫做可編程輸入輸出模型，Programming Input/Output Model，簡稱 PIO。
我們是整個主板上的核心，俗話說得好，能力越大，責任越大，但有時候真心覺得有點累。
隨著越來越多的設備接入主板，越來越多的程序需要等待我們去執行，工作量大的壓的我們喘不過氣來。
尤其是隨著技術進步，我們 CPU 工廠的速度越來越快，與硬盤的讀寫速度之間的差距越來越拉大，我們還用這種方式通信就太浪費我們的時間了。
DMA 技術
這幾天，我們幾個車間的 Leader 私下聚在一起討論起這個事情來。
“阿 Q，你不覺得現在我們花了太多時間再讀寫硬盤上了嗎，這家伙慢不是他的錯，扯我們后腿這就是他的錯了啊。傳輸一次數據，我們要執行好多次 I/O 端口讀寫，我們寶貴的時間都浪費在這上面了!”，二號車間的虎子一臉幽怨的說到。
“嗨，我最近也為這事發愁呢，程序越來越多，讀寫硬盤的時間越來越多了，尤其是那個叫 MySQL 的，老讓我訪問硬盤，可累死我了。”
沒想到我倆都憋了一肚子苦水呢。
這時，平日里愛拍老板馬屁的八號車間老大說了一句話：“你們說的問題確實存在，這工作太沒技術含量了，就是個體力活嘛，要不咱給老板說說，讓他外包出去吧。”
我倆一聽，妙啊，要是能把這體力活外包出去，那可簡直太好了，我們就可以專心做我們的專職工作了。
“你跟老板平時走得近，這事你去說吧”，我給虎子使了個眼色，一起攛掇老八去說這事。
“行，我去就我去”。
還別說，領導立馬就同意了這個想法，畢竟能提高我們的工作效率，他自然是舉雙手歡迎。
沒過多久，就成立了一個外包團隊，獨立出我們廠子，專門來負責這件事。
和我們 CPU 一樣，他們也提供了幾個寄存器，傳輸數據的時候，只需要設置一下這些寄存器的內容，告訴他們要傳輸哪里的數據，從哪到哪，長度是多少，接下來的事情我們就不用操心了，交由他們來完成。
我們就可以騰出功夫做其他事情，等數據傳輸完畢了，他們再用中斷的方式告訴我們，我們直接去處理就好了，省去了讓我們親自去搬運的過程，真是爽的飛起!
后來，我們給這項技術也取了一個名字，叫 Direct Memory Access，直接存儲器訪問，簡稱 DMA，這個外包團隊就是 DMAC，DMA 控制器。
DMA 全面開花
前幾天的月總結會上，領導表揚了老八，說多虧他的建議讓廠里的生產效率大大提升。早知道，當初就不攛掇老八去跟老板提建議了，我自己去。
正想著走神，突然想到了一個問題，這一次我打算抓住機會掙個表現。
“老板，這個 DMA 技術好是好，但現在只能用于硬盤哦。最近網卡那家伙數據包也挺多的，我花了好多時間去把數據包從網卡讀取到內存中，又低效又沒有技術含量，可不可以把這技術推廣到網卡上啊?”，我起身說到。
老板點了點頭，若有所思。
二號車間虎子見狀也起身說到：“老板，除了硬盤和網卡，顯示器也有這個需求。我經常要疲于奔波于把內存數據傳輸到顯示器，也是勞神勞力，建議 DMA 技術也推廣到顯示器呢。”
老板聽完，皺了皺眉頭說到，“這個不同設備之間的差別還是挺大的，沒法通用。難不成我們要為每個設備成立一個外包團隊?這成本有點高啊···”
老板果然還是老板，還是把成本考慮在第一位。
這時，愛拍馬屁的老八又說話了，“老板說的是。我倒是有個建議，這個 DMA 推廣到網卡、顯示器這些單位也可以，不過讓他們自己掏錢來增加 DMAC，按照他們各自不同的需求來做。咱們不能當這冤大頭。”
老板一聽，喜形于色，大聲叫好!
就這樣，很快我們就把這項技術推廣了出去，主板上以網卡、顯示器、攝像頭為首的那些個單位為了不落后于人，紛紛擁抱變化，集成了 DMAC。
我們得到了徹底的解放，再也不用做枯燥的搬運工了~
彩蛋：“阿 Q，聽說了嗎，最近 Linux 帝國新成立了一個公司，居然繞過我們 CPU 就能把數據從網卡寫入硬盤中”。
“不可能啊，至少得經過我們拷貝一下吧”，“根本不用，他們號稱是零拷貝技術”。預知后事如何，請關注后續精彩······
作者：軒轅之風
編輯：陶家龍
出處：轉載自微信公眾號編程技術宇宙(ID：xuanyuancoding)
