Linux NUMA 架构 ：基础软件工程师需要知道一些知识

前言

NUMA（Non-Uniform memory access）非一致性内存访问 作为当下新型的硬件架构，其对操作系统CPU和内存资源整合的底层实现细节是作为分布式存储/数据库研发的工程师需要掌握得一种技术。这样，我们才能够在这一些架构以及更新的存储介质（AEP/BPS）之上开发出性能更友好的基础软件。

通过本篇 你能够知道如下几个关于NUMA的知识：

1. NUMA 出现的缘由
2. NUMA 的基本架构 及 相关工具
3. NUMA 的几种内存模式

从物理CPU、core到HT(hyper-threading)

我们的CPU是在服务器主板之上，十几年前的一个物理CPU只会有一个物理核心(core)，因为主板就这么大，不能再增加物理CPU的个数了，为了提升CPU性能，硬件厂商只能在物理CPU基础上增加物理核心数目，由单core到2个、4个。。。为了进一步利用好core资源，Intel以及其他芯片厂商开发了超线程(hyper-threading)技术，来让一个物理core能够运行2个内核线程，从而产生了逻辑核(processor)的概念。

在linux相关的系统可以通过如下指令查看相关的指标：

• 查看物理CPU数目：
  cat /proc/cpuinfo| grep "physical id"| sort| uniq| wc -l
• 查看core数目：
  cat /proc/cpuinfo | grep "cpu cores" | uniq
• 查看总的逻辑核的数目:
  cat /proc/cpuinfo| grep "processor"| wc -l
• 查看cpu型号:
  cat /proc/cpuinfo | grep name | cut -f2 -d: | uniq -c

以上相关指标也可以直接通过命令lscpu看到，正因为CPU的算力越来越高，我们不能让算力资源浪费，应该尽己所能让cpu每时每刻都能够释放自己强大的算力，这也是NUMA架构的出现的主要原因，为了更好得展现这个过程，可以继续向下看。

UMA（Uniform memory access）

在介绍NUMA之前，肯定是需要先了解一下一致性内存访问UMA 的设计，这里的介绍能够告诉你为什么系统硬件架构会演化成当前NUMA这样架构。

如上图，是NUMA架构之前的CPU访问内存的方式。在主板上的两个物理CPU 通过前端总线链接，来同步各自内部的cpu cache的数据，当cpu要访问的数据不在cpu cache中，则需要通过北桥控制器 以及与其链接的数据地址总线访问内存。

随着CPU物理core增加以及HT技术的产生，这么多core的数据访问都需要通过共享的frontside bus以及北桥控制器来访问内存，这个时候的frontside bus便成为了CPU性能的瓶颈。

NUMA架构

这个时候通过引入NUMA架构，来提升CPU对内存访问的效率。

如上图，物理CPU之间通过QPI进行通信，而内存插槽则设置到各自CPU附近，去掉了北桥控制器，物理CPU直接通过数据总线来访问内存，这个架构下整个CPU访存可以横向扩展了，物理CPU的个数可以增加，且只需要为其设置相临近的可访问内存就可以了。

但也会引入一些问题，这个时候对于CPU1 ，内存条3和4就距离自己比较近，而内存条1和2 就距离自己比较远了。也就是NUMA架构引入了针对内存访问的local 和 remote概念。

通过下图来更进一步得了解一下NUMA架构下cpu访问内存的remote和local方式：

其中：

• 每一个黄色的方块代表一个用户进程
• Node0,Node1 就是将我们上面介绍的NUMA架构中的CPU和距离自己近的内存进行绑定，形成一个Node
• 每一个Node对应一个物理cpu，其中的cpu0,cpu1,cpu2…代表之前提到的core，也就是每个物理cpu之上会有多个core
• 蓝色的部分代表自己的距离物理CPU比较近的内存条。

用户进程ProcessA绑定在一个核心/HT上运行(cpu0)，如果操作系统为这个用户进程分配的内存页在node1上，那么cpu0需要通过QPI+DDR从node1的内存中读取数据，这样就产生了remote访存的概念。这个时候有人会说为什么不把ProcessA迁移到Node1的CPU核心之上呢，但是ProcessA的内存页可能在两个node内存之上都有分配，这个时候总会有一些内存页需要remote访问。

所以NUMA架构下， 我们想要让用户进程拥有良好的内存访问性能，需要让用户进程只在一个node下运行，也就是需要绑定NUMA。

具体可已通过如下方式：

numactl --cpunodebind=0 --membind=0 user_process

用户进程绑定在node0的CPU和内存上，也就用户进程由node0的cpu来调度，并且就近分配node0中的内存。

如果我们仅仅想要进程从单一的node上分配内存，可以通过如下方式来运行。

测试如下代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
void main(int argc, char *argv[])
{int i, j;char *c;/* Allocate 4GB memory */for (i = 0; i < 1024; i++) {for (j = 0; j < 1024; j++) {c = malloc(4096);*c = 0xff;}}while (1);
} 

总共分配4G的内存，通过如下方式运行，仅仅绑定内存从node1上分配，不限制cpu的调度node。

$ gcc malloc.c; $ numactl --membind=1 --cpunodebind=1 ./a.out &
[2] 43565
$ sudo numastat -p 43565Per-node process memory usage (in MBs) for PID 43565 (a.out)Node 0      Node 1---------------  ---------------
Huge                         0.00            0.00
Heap                         0.00         4112.00
Stack                        0.00            0.01
Private                      0.00            0.07
----------------  --------------- ---------------
Total                        0.00         4112.09

接下来我们可以通过NUMA的几种内存模式来看操作系统如何使用NUMA。

可以通过numastat 或者 lscpu来确认自己的系统是否支持NUMA，如果有多个node，则表示自己的系统是支持NUMA的。

NUMA下的内存分配策略

这里主要介绍四种NUMA下的内核分配策略

command 工具可以指定设置：numactl/numastat/migratepages

系统调用 函数也可以设置:

#include <numaif.h>
// 为当前进程以及该进程的子进程 设置内存分配策略，默认是default方式
long set_mempolicy(int mode, const unsigned long *nodemask, unsigned long maxnode);// 为一个内存range 设置内存分配策略，比如MPOL_BIND
long mbind(void *addr, unsigned long len, int mode, const unsigned long *nodemask, unsigned long maxnode, unsigned flags);// 将当前进程的所有内存page迁移到其他的node中
long migrate_pages(int pid, unsigned long maxnode, const unsigned long *old_nodes, const unsigned long *new_nodes);

接下来看看详细的内存分配策略

1. MPOL_DEFAULT

这个策略下，在用户进程申请内存过程中 系统会优先从local node进行分配，如果local node中的内存不足，则会从nearby的node内存中进行分配。

2. MPOL_BIND

这个策略下的内存分配可以通过set_mempolicy 设置进程的内存分配方式 或者 通过mbind 来指定一段 memory range的分配方式。

在这个策略下，我们通过在对应系统调用中设置nodemask来指定当前进程内存可分配内存页的node，且这个策略的内存分配方式比较严格。

如下图：

以ProcessA为例，其设置的nodemask指定了(0,1)两个node，也就是processA在CPU0上运行时会优先从node0上分配内存，如果node0的内存已经被分配满了，则系统会从node1位processA分配，也就是上图中node1的内存页中有红色部分的原因。

同理，其他的进程需要内存时操作系统也是按照其设置的nodemask中的节点来进行分配。

如果nodemask设置的node都没有内存了，即使其他的node中仍然有内存，也会发生OOM 或者其他的内存不足问题。

3. MPOL_INTERLEAVE

这个策略也是linux-kernel 启动过程默认的内存分配策略。

大体就是 从nodemask设置的node中交错分配内存。

如上图，ProcessA 在 interleave模式下 设置了node0和node1 ，则第一个内存页会先从node0上分配，第二个内存页从node1上分配，依此。

操作系统boot-up时设置这样的分配策略的目的是为了降低单个node下的内存访问负载，当初始化进程启动之后 操作系统会将kernel的内存分配策略切换成 DEFAULT方式，也就是默认从local node进行内存分配。

4. MPOL_PREFERRED

这个策略下操作系统的内存分配会优先从距离自己近的node进行分配，如果nodemask 设置了一个或者多个node，则nodemask中的node会被当作就近内存 ，从这一些设置的node中进行内存分配。

如下图：

ProcessC 的nodemask配置了node0， 则ProcessC的内存分配会优先从node0中进行分配，可以看到node0中绿色的内存页。如果node0满了，且nodemask只设置了一个node，则ProcessC会从就近node中进行分配，比如node1。

关于不同node的 distance，这个是由操作系统来维护的，主要根据不同node之间访问内存消耗的时间来设置的。映射到实际的主板上，就类似前文介绍NUMA架构中的node和node之间的物理距离，只是这里node会更多一些。

5. 一些NUMA架构下的内核配置

$ sudo sysctl -a | grep -i numa
kernel.numa_balancing = 1 # How to disable numa balance? It can also be put into the kernel command by "numa_balancing=disable"
kernel.numa_balancing_scan_delay_ms = 1000
kernel.numa_balancing_scan_period_max_ms = 60000
kernel.numa_balancing_scan_period_min_ms = 1000
kernel.numa_balancing_scan_size_mb = 256
vm.numa_zonelist_order = default 

总结

NUMA架构 是当下高性能服务器主流架构，尤其是搭配PMEM或者NVM 这样的非易失性内存存储介质，我们想要发挥这一些硬件高吞吐低延时的性能，一定是需要利用好NUMA特性才能发挥其性能。

比如针对PMEM的测试中，绑定NUAM和不绑定NUMA 测试出来的性能差异还是比较大的，感兴趣的同学可以用如下fio配置测试一下。

[global]
ioengine=libpmem
direct=1
norandommap=1
randrepeat=0
runtime=60
time_based
size=1G
directory=./fio
group_reporting
[read256B-rand]
bs=256B
rw=randread
numjobs=32
iodepth=4
cpus_allowed=0-15,16-31 #绑定NUMA

总的来说，如果大家做基础软件相关的研发，像分布式存储/分布式数据库等，在当今主流服务器架构下，一定需要对NUMA架构有足够的了解，否则无法将系统性能做到极致。

关于NUMA相关的内核实现，内核如何调度不同的numa node 中的CPU和内存以及I/O，如何实现numa node之间的互信 ，这一些底层实现都是非常复杂却十分精妙的，想要完全掌握，内核的基础实现是需要有一个概览的过程的，后续继续探索。

参考

相关参考论文均已放在github:numa-github