Windows下綁定線程到指定的CPU核心

在某些場景下，需要把程式綁定到指定CPU核心提高執行效率。通過微軟官方文檔查詢到Windows提供了兩個Win32函數：SetThreadAffinityMask和SetProcessAffinityMask 為指定線程和進程設置處理器關聯掩碼。通俗的講就是在指定的CPU核心上執行線程或者進程。

這裡的CPU核心指的是邏輯核心，而非物理核心。

SetThreadAffinityMask

SetThreadAffinityMask用於設置指定線程的處理器關聯掩碼，從而實現線程對處理器的綁定。

SetThreadAffinityMask函數定義

SetThreadAffinityMask的定義如下：

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

從函數的定義看需要傳遞兩個參數：

• hThread：指向要設置處理器關聯的線程句柄。如果是想設置當前線程的關聯掩碼，可以使用 GetCurrentThread() 函數獲取句柄。
• dwThreadAffinityMask：處理器的關聯掩碼。是一個DWORD_PTR類型的值，長度共8個位元組（64bit），每一bit代表一個cpu核。

如果需要支持超過64核的CPU時，則需要使用SetThreadGroupAffinity函數

為了更清晰的表達dwThreadAffinityMask的含義，下邊用二進位數表示該值。比如，需要把線程綁定到
第0個核：則dwThreadAffinityMask=0B_0001;（0x01）
第1個核：則dwThreadAffinityMask=0B_0010;（0x02）
第2個核：則dwThreadAffinityMask=0B_0100;（0x04）
第3個核：則dwThreadAffinityMask=0B_1000;（0x08）
……
如果要綁定到多個cpu核心，比如綁定到第1和2個cpu核時，dwThreadAffinityMask=0B_0110，對應的十六進位數也就是0x06。

調用示例

首先引入Win32API

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

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

由於dwThreadAffinityMask的值是按照2ⁿ的指數遞增，與通常習慣指定第n個核心不符，並且不同的設備CPU核心數不一樣，指定CPU核心時可能超出CPU核心數量，因此可以對指定CPU核心做個簡單的處理：

static ulong SetCpuID(int lpIdx)
{
    ulong cpuLogicalProcessorId = 0;
    if (lpIdx < 0 || lpIdx >= System.Environment.ProcessorCount)
    {
        lpIdx = 0;
    }
    //通過移位運算轉換lgidx->dwThreadAffinityMask:0->1,1->2,2->4,3->8,……
    cpuLogicalProcessorId |= 1UL << lpIdx;
    return cpuLogicalProcessorId;
}

接下來就可以進行測試了

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("運行時間: " + stopwatch.ElapsedMilliseconds.ToString());

效果如圖如下：

SetProcessAffinityMask

SetProcessAffinityMask與SetThreadAffinityMask非常相似，不同的是其作用於整個進程，可以決定進程內的所有線程共同運行在指定的處理器上。
函數定義如下：

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

和SetThreadAffinityMask一樣，也是需要傳遞兩個參數，只不過第一個參數傳遞的是進程的句柄。

小結

在某些場景可以通過SetThreadAffinityMask和SetProcessAffinityMask 提高程式執行效率，主要是基於以下幾個原因：

• 提高性能：通過將線程綁定到特定的處理器，可以減少線程在不同處理器之間的切換開銷，尤其是在多核系統中，有助於提升程式的執行效率。
• 避免緩存抖動：確保線程始終在同一個處理器上運行，可以減少緩存未命中，因為相關的數據更可能保留在該處理器的高速緩存中。
• 實時系統和併發控制：在需要嚴格控制線程執行位置的場景下，比如實時系統或者某些併發控制策略中，通過設定處理器關聯可以滿足特定的調度需求。

需要註意的是，SetThreadAffinityMask和SetProcessAffinityMask並不是獨占CPU核心，如果關聯的CPU核心本身負載就很高，這個時候程式執行效率反而會降低。