附录 A. 减少测量噪声（Reducing Measurement Noise）

以下是一些可能导致性能测量非确定性（non-determinism）增加的特性示例，以及一些减少噪声的技术。我在 [secFairExperiments] 中对该主题进行了介绍。

本节内容主要针对 Linux 操作系统。建议读者自行搜索其他操作系统的配置说明。

Dynamic Frequency Scaling

动态频率缩放11（Dynamic Frequency Scaling，DFS）是一种通过在系统运行高负载任务时自动提高 CPU 工作频率来提升系统性能的技术。以 DFS 实现为例，Intel CPU 具有 Turbo Boost 功能，AMD CPU 则采用 Turbo Core 功能。

以下是 Turbo Boost 对运行在 Intel® Core™ i5-8259U 上的单线程工作负载（workload）的影响示例：

# TurboBoost enabled
{% math_inline %} cat /sys/devices/system/cpu/intel_pstate/no_turbo
0
{% endmath_inline %} perf stat -e task-clock,cycles -- ./a.exe 
    11984.691958  task-clock (msec) #    1.000 CPUs utilized
  32,427,294,227  cycles            #    2.706 GHz
      11.989164338 seconds time elapsed

# TurboBoost disabled
{% math_inline %} echo 1 | sudo tee /sys/devices/system/cpu/intel_pstate/no_turbo
1
{% endmath_inline %} perf stat -e task-clock,cycles -- ./a.exe 
    13055.200832  task-clock (msec) #    0.993 CPUs utilized
  29,946,969,255  cycles            #    2.294 GHz
      13.142983989 seconds time elapsed

开启 Turbo Boost 时平均频率更高（2.7 GHz vs. 2.3 GHz）。

DFS 可以在 BIOS 中永久禁用。若要在 Linux 系统上以编程方式禁用 DFS 功能，需要 root 权限。操作方法如下：

# Intel
echo 1 > /sys/devices/system/cpu/intel_pstate/no_turbo
# AMD
echo 0 > /sys/devices/system/cpu/cpufreq/boost

Simultaneous Multithreading

许多现代 CPU 核心支持同步多线程（Simultaneous Multithreading，参见 [SMT]）。SMT 可以在 BIOS 中永久禁用。若要在 Linux 系统上以编程方式禁用 SMT，需要 root 权限。CPU 线程的兄弟对（sibling pairs）可以在以下文件中查找：

/sys/devices/system/cpu/cpuN/topology/thread_siblings_list

以下是如何在拥有 4 个核心和 8 个线程的 Intel® Core™ i5-8259U 上禁用核心 0 的兄弟线程：

# all 8 hardware threads enabled:
{% math_inline %} lscpu
...
CPU(s):              8
On-line CPU(s) list: 0-7
...
{% endmath_inline %} cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/topology/thread_siblings_list
0,4
{% math_inline %} cat /sys/devices/system/cpu/cpu1/topology/thread_siblings_list
1,5
{% endmath_inline %} cat /sys/devices/system/cpu/cpu2/topology/thread_siblings_list
2,6
{% math_inline %} cat /sys/devices/system/cpu/cpu3/topology/thread_siblings_list
3,7

# Disabling SMT on core 0
{% endmath_inline %} echo 0 | sudo tee /sys/devices/system/cpu/cpu4/online
0
{% math_inline %} lscpu
CPU(s):               8
On-line CPU(s) list:  0-3,5-7
Off-line CPU(s) list: 4
...
{% endmath_inline %} cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/topology/thread_siblings_list
0

此外，lscpu --all --extended 命令对于查看兄弟线程非常有帮助。

Scaling Governor

Linux 内核可以出于不同目的控制 CPU 频率，例如节省电能。在此情况下，调频调节器（scaling governor）可能会决定降低 CPU 频率。为了进行性能测量，建议将调频调节器策略设置为 performance，以避免低于标称频率运行。以下是如何为所有核心进行设置：

echo performance | sudo tee /sys/devices/system/cpu/cpufreq/policy*/scaling_governor

CPU Affinity

处理器亲和性8（Processor affinity）可以将进程绑定到特定的 CPU 核心。在 Linux 中，可以使用 taskset9 工具实现。

# no affinity
{% math_inline %} perf stat -e context-switches,cpu-migrations -r 10 -- a.exe
               151      context-switches
                10      cpu-migrations

# process is bound to the CPU0
{% endmath_inline %} perf stat -e context-switches,cpu-migrations -r 10 -- taskset -c 0 a.exe 
               102      context-switches
                 0      cpu-migrations

注意 cpu-migrations 的次数降到了 0，即进程从未离开 core0。

另外，你也可以使用 cset10 工具为基准测试程序预留 CPU 核心。如果使用 Linux perf，至少保留两个核心，让 perf 运行在一个核心上，程序运行在另一个核心上。下面的命令将把所有线程移出 N1 和 N2（-k on 表示连内核线程也一并移出）：

{% math_inline %} cset shield -c N1,N2 -k on

下面的命令将在隔离的 CPU 上运行 -- 之后的命令：

{% endmath_inline %} cset shield --exec -- perf stat -r 10 <cmd>

在 Windows 上，可以使用以下命令将程序固定到特定核心：

{% math_inline %} start /wait /b /affinity 0xC0 myapp.exe

其中 /wait 选项等待应用程序终止，/b 启动应用程序时不打开新命令窗口，/affinity 指定 CPU 亲和性掩码（affinity mask）。此处掩码 0xC0 表示应用程序将在第 6 和第 7 个核心上运行。

在 macOS 上，由于操作系统不提供相关 API，无法将线程固定到特定核心。

Process Priority

在 Linux 中，可以使用 nice 工具提高进程优先级。通过提高优先级，进程获得更多 CPU 时间，调度器（scheduler）相比普通优先级进程更倾向于调度它。优先级范围（niceness）从 -20（最高优先级）到 19（最低优先级），默认值为 0。

注意在前面的示例中，被测进程的执行被操作系统中断了超过 100 次。如果通过 sudo nice -n -<N> 提高进程优先级来运行基准测试：

{% endmath_inline %} perf stat -r 10 -- sudo nice -n -5 taskset -c 1 a.exe
    0   context-switches
    0   cpu-migrations

可以看到上下文切换（context switches）次数降为 0，进程获得了不中断的全部计算时间。

4. SMT - https://en.wikipedia.org/wiki/Simultaneous_multithreading. ↩
7. Documentation for Linux CPU frequency governors: https://www.kernel.org/doc/Documentation/cpu-freq/governors.txt. ↩
8. Processor affinity - https://en.wikipedia.org/wiki/Processor_affinity. ↩
9. taskset manual - https://linux.die.net/man/1/taskset. ↩
10. cpuset manual - https://github.com/lpechacek/cpuset. ↩
11. Dynamic frequency scaling - https://en.wikipedia.org/wiki/Dynamic_frequency_scaling. ↩

results matching ""

    No results matching ""