【车载性能优化】将线程进程运行在期望的CPU核心上

车载Android应用开发中，可能会出现一种奇葩的要求：与用户交互时应用需要全速运行，保证交互的流畅性，但是如果应用进入后台就需要怠速运行，让出更多的资源保证系统或前台应用的流畅度。那么基于这种需求，我们需要实现一种可以动态调节应用执行效率的框架。

众所周知，当前使用最广泛的车载SOC-高通骁龙8155，采用1+3+4的8核心设计，其中大核主频为 2.96GHz，三个高性能核心主频为 2.42GHz，四个低功耗核心主频为 1.8GHz。

如果我们能够将程序的进程或线程运行在指定的CPU核心上，原则上就可以实现动态调节应用的执行效率。实现这种需求要用到一个Linux的函数—sched_setaffinity。

这里的芯片规格数据源自中文互联网，与我个人接触到的骁龙SA8155P量产型的实际频率存在不小的出入。

sched_setaffinity简介

在介绍sched_setaffinity之前，需要先介绍一个新概念 - CPU 亲和性。

CPU亲和性

CPU亲和性是指进程或线程在运行时倾向于在某个或某些CPU核心上执行，而不是随机或频繁地在不同的核心之间切换。CPU亲和性可以提高进程或线程的性能，因为它可以利用CPU缓存的局部性，减少缓存失效和进程迁移的开销。

CPU亲和性分为软亲和性和硬亲和性：

软亲和性是Linux内核进程调度器的默认特性，它会尽量让进程在上次运行的CPU核心上继续运行，但不保证一定如此，因为还要考虑各个核心的负载均衡。
硬亲和性是Linux内核提供给用户的API，它可以让用户显式地指定进程或线程可以运行在哪些CPU核心上，或者绑定到某个特定的核心上。

在Linux内核系统上，要设置或获取CPU亲和性，可以使用以下函数：

sched_setaffinity()：设置进程或线程的CPU亲和性掩码，表示它可以运行在哪些核心上。
sched_getaffinity()：获取进程或线程的CPU亲和性掩码，表示它当前可以运行在哪些核心上。
CPU_ZERO()：操作CPU亲和性掩码的宏，用于清空某个核心是否在掩码中。
CPU_SET()：操作CPU亲和性掩码的宏，用于设置某个核心是否在掩码中。
CPU_CLR()：操作CPU亲和性掩码的宏，用于清除某个核心是否在掩码中。
CPU_ISSET()：操作CPU亲和性掩码的宏，用于检查某个核心是否在掩码中。

使用方式

第一步：创建一个cpu_set_t类型的变量mask，用于表示CPU亲和性掩码。

第二步：然后使用CPU_ZERO和CPU_SET宏来清空和设置mask，使得只有core对应的位为1，其他位为0。

第三步：调用sched_setaffinity函数来设置当前线程的CPU亲和性，如果成功返回0，否则返回-1。

    // cpu 亲和性掩码
    cpu_set_t mask;
    // 清空
    CPU_ZERO(&mask);
    // 设置 亲和性掩码
    CPU_SET(core, &mask);
    // 设置当前线程的cpu亲和性
    if (sched_setaffinity(0, sizeof(mask), &mask) == -1) {
        return -1;
    }

sched_setaffinity函数的原理是通过设置进程或线程的CPU亲和性掩码，来指定它可以运行在哪些CPU核心上。CPU亲和性掩码是一个位图，每一位对应一个CPU核心，如果某一位为1，表示该进程或线程可以运行在该核心上，否则不能。

sched_setaffinity函数可以用于提高进程或线程的性能，避免频繁地在不同的核心之间切换。

sched_setaffinity函数的原型如下：

int sched_setaffinity(pid_t pid, size_t cpusetsize, const cpu_set_t *mask);

pid：表示要设置的进程或线程的ID，如果为0，则表示当前进程或线程；

cpusetsize：表示mask指针指向的数据的长度，通常为sizeof(cpu_set_t)；

mask：是一个指向cpu_set_t类型的指针，cpu_set_t是一个不透明的结构体，用于表示CPU亲和性掩码，需要使用一些宏来操作它，如CPU_ZERO, CPU_SET, CPU_CLR等。

sched_setaffinity函数成功时返回0，失败时返回-1，并设置errno为相应的错误码。可能的错误码有：

EFAULT: mask指针无效
EINVAL: mask中没有有效的CPU核心
EPERM: 调用者没有足够的权限

Android实现

在Android 应用中我们需要借助JNI来调用sched_setaffinity函数。使用AndroidStudio创建一个NDK的默认工程，Cmake脚本如下：

cmake_minimum_required(VERSION 3.22.1)

project("socaffinity")

add_library(${CMAKE_PROJECT_NAME} SHARED
        native-lib.cpp)

target_link_libraries(${CMAKE_PROJECT_NAME}
        android
        log)

Native-lib源码如下：

#include <jni.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

// 获取cpu核心数
int getCores() {
    int cores = sysconf(_SC_NPROCESSORS_CONF);
    return cores;
}

extern "C" JNIEXPORT jint JNICALL Java_com_wj_socaffinity_ThreadAffinity_getCores(JNIEnv *env, jobject thiz){
    return getCores();
}
// 绑定线程到指定cpu
extern "C" JNIEXPORT jint JNICALL Java_com_wj_socaffinity_ThreadAffinity_bindThreadToCore(JNIEnv *env, jobject thiz, jint core) {
    int num = getCores();
    if (core >= num) {
        return -1;
    }
    cpu_set_t mask;
    CPU_ZERO(&mask);
    CPU_SET(core, &mask);
    if (sched_setaffinity(0, sizeof(mask), &mask) == -1) {
        return -1;
    }
    return 0;
}

// 绑定进程程到指定cpu
extern "C"
JNIEXPORT jint JNICALL
Java_com_wj_socaffinity_ThreadAffinity_bindPidToCore(JNIEnv *env, jobject thiz, jint pid,
                                                     jint core) {
    int num = getCores();
    if (core >= num) {
        return -1;
    }
    cpu_set_t mask;
    CPU_ZERO(&mask);
    CPU_SET(core, &mask);
    if (sched_setaffinity(pid, sizeof(mask), &mask) == -1) {
        return -1;
    }
    return 0;
}

然后再将JNI调用方法，封装在一个独立的单例中，如下所示：

object ThreadAffinity {

    private external fun getCores(): Int

    private external fun bindThreadToCore(core: Int): Int

    private external fun bindPidToCore(pid: Int, core: Int): Int

    init {
        System.loadLibrary("socaffinity")
    }

    fun getCoresCount(): Int {
        return getCores()
    }

    fun threadToCore(core: Int, block: () -> Unit) {
        bindThreadToCore(core)
        block()
    }

    fun pidToCore(pid: Int, core: Int){
        bindPidToCore(pid, core)
    }

}

通过上面的代码，我们就是实现了一个最简单的修改CPU亲和性的demo。接下来我们来运行测试。

运行测试

假设有两个需要密集计算的任务，分别为Task1和Task2，逻辑都是计算从0到1000000000的累加和，然后把将消耗时间输出在控制台上。测试代码如下：

override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
    super.onCreate(savedInstanceState)
    binding = ActivityMainBinding.inflate(layoutInflater)
    setContentView(binding.root)
    task1()
    task2()
}

// 耗时任务1
private fun task1() {
    Thread {
        var time = System.currentTimeMillis()
        var sum = 0L
        for (i in 0..1000000000L) {
            sum += i
        }
        time = System.currentTimeMillis() - time
        Log.e("SOC_", "start1: $time")
        runOnUiThread {
            binding.sampleText.text = time.toString()
        }
    }.start()
}

// 耗时任务2
private fun task2() {
    Thread {
        var time = System.currentTimeMillis()
        var sum = 0L
        for (i in 0..1000000000L) {
            sum += i
        }
        time = System.currentTimeMillis() - time
        Log.e("SOC_", "start2: $time")
        runOnUiThread {
            binding.sampleText.text = time.toString()
        }
    }.start()
}

情景一：不做任何处理，直接执行耗时任务

该场景下，我们不做额外操作，线程调度采用Android内核默认的方式，得到如下结果：

耗时任务散布在不同的CPU上执行，此时CPU峰值约为207 / 600 % 。

Task1耗时4037ms，Task2耗时4785ms。

情景二：将进程绑定到小核心上

该场景下，我们使用ThreadAffinity将应用进程绑定CPU5上（在我的设备上CPU4、CPU5都是小核心）。

class MyApp: Application() {

    override fun onCreate() {
        // 注意确定你的CPU核心 大核心、小核心的标号。
        ThreadAffinity.pidToCore(android.os.Process.myPid(), 5)
        super.onCreate()
    }

}

耗时任务基本聚集在CPU5上执行，此时CPU峰值约为102 / 600 % 。

Task1耗时18276ms，Task2耗时18272ms。可以看出这种方式虽然显著降低了CPU峰值，但是任务的执行效率也剧烈下降了。

情景三：将进程、耗时任务绑定到大核心上

该场景下，将进程绑定在CPU2上，Task1、Task2分别绑定在CPU0和CPU1上（在我的设备上，CPU0-CPU3都属于大核心）。

class MyApp: Application() {

    override fun onCreate() {
        // 注意确定你的CPU核心 大核心、小核心的标号。
        ThreadAffinity.pidToCore(android.os.Process.myPid(), 2)
        super.onCreate()
    }
}

private fun start1() {
    // 将线程绑定到核心0上
    ThreadAffinity.threadToCore(0) {
        Thread {
            var time = System.currentTimeMillis()
            var sum = 0L
            for (i in 0..1000000000L) {
                sum += i
            }
            time = System.currentTimeMillis() - time
            Log.e("SOC_", "start1: $time")
            runOnUiThread {
                binding.sampleText.text = time.toString()
            }
        }.start()
    }
}

private fun start2() {
    // 将线程绑定到核心1上
    ThreadAffinity.threadToCore(1) {
        Thread {
            var time = System.currentTimeMillis()
            var sum = 0L
            for (i in 0..1000000000L) {
                sum += i
            }
            time = System.currentTimeMillis() - time
            Log.e("SOC_", "start2: $time")
            runOnUiThread {
                binding.sampleText.text = time.toString()
            }
        }.start()
    }
}