多核CPU 和多个 CPU 区别 并行和并发 操作系统内存管理模块 进程和线程

Posted 2023-03-08 ZhangJiQun&MXP

目录

 

多核CPU 和多个 CPU 区别

并行和并发

操作系统内存管理模块

进程和线程

---

多核CPU 和多个 CPU 区别

当你将这一百只手全安装到一个人身上，这模式就是多核。当你将这一百之手安装到50个人身上工作，这模式就是多CPU。

多核CPU 和多个 CPU实质是一样的可以并行执行进程 ，但是由于价格，执行效率，系统总线以及整体开销等因素，还是多核心最合算。

并行和并发

当面临这些问题的时候，有两个关键词无法绕开，那就是并行和并发。

并行：真正的同一时刻

并发：同一时间周期（我们感觉是同时执行，但是计算机执行周期是毫秒单位级别的，我们感觉不到）

首先，要先了解几个概念：

　　1、进程是程序的一次执行。

　　2、进程是资源分配的基本单位。

　　3、一个进程可以包括多个线程。

　　4、在单CPU计算机中，有一个资源是无法被多个程序并行使用的：CPU。

　　5、操作系统调度器：拆分CPU为一段段时间的运行片，轮流分配给不同的程序。（分时操作系统）

　　6、操作系统内存管理模块：管理物理内存、虚拟内存相关的事务。

　　由于CPU同时刻只能执行一个进程，如果我们不加以控制的话，一个进程可能使用CPU直到运行结束，于是出现了操作系统调度器，而进程也成为了调度单位。

　　进程的运行不仅仅需要CPU，还需要很多其他资源，如内存啊，显卡啊，GPS啊，磁盘啊等等，统称为程序的执行环境，也就是程序上下文。

　　在这里就出现了并发的概念，调度器切换CPU给不同进程使用的速度非常快，于是在使用者看来程序是在同时运行，这就是并发，而实际上CPU在同一时刻只在运行一个进程。并发只是给人的假现象 ，原因就是由于cpu工作很快，不断地loop感觉是同时发生，实际都是单个执行的。

　　CPU进程无法同时刻共享，但是出现一定要共享CPU的需求呢？此时线程的概念就出现了。线程被包含在进程当中，进程的不同线程间共享CPU和程序上下文。（共享进程分配到的资源）

　　单CPU进行进程调度的时候，需要读取上下文+执行程序+保存上下文，即进程切换。

　　如果这个CPU是单核的话，那么在进程中的不同线程为了使用CPU核心，则会进行线程切换，但是由于共享了程序执行环境，这个线程切换比进程切换开销少了很多。在这里依然是并发，唯一核心同时刻只能执行一个线程。

        出现线程的原因就是由于进程切换需要大量的资源切换，线程却还资源是共享的，切换速度很快，占用资源小，线程内容是隐私的，存储一些上下文信息，以及堆栈信息，占用内存很小，切换很快，同一进程不同线程切换共享进程资源，切换迅速。

　　如果这个CPU是多核的话，那么进程中的不同线程可以使用不同核心，真正的并行出现了。多核才是并行，单核只能说是并发，假并行

　　线程是CPU调度和分配的基本单位，一定要和 进程是操作系统进行资源分配（包括cpu、内存、磁盘IO等）的最小单位 区别清楚。有句话说CPU只能看到线程，可以这么理解，假设我是CPU，我闭着眼，操作系统调度器将一个进程分配给我之后，我拿到进程睁开眼，我看到的是什么？我看到的是进程中的很多线程，那么我现在能调度和分配的是什么？进程？不行，因为我看不到其他进程，何来调度分配，只能调度我看到的那些线程，如果我是4核的话，把线程ABCD分配到核心1234，其他的线程依然要等待分配，至于等待多久，如何分配，暂不在本文讨论范围。于是线程是CPU调度和分配的基本单位。

　

操作系统内存管理模块

　最后说一下操作系统内存管理模块这里做的事：在这之前，程序员需要为每个程序安排运行的空间，这里的空间指的是内存的物理地址，但是这么的问题就是，每个程序都要协商如何使用同一内存的不同空间，而且程序员还要关心底层内存分配问题。解决办法就是，提出进程的概念，每个进程用一样的虚拟地址空间，CPU上增加了MMU模块负责转换虚拟地址和物理地址，虚拟地址经过操作系统和MMU之后，虚拟地址会映射到不同的物理地址，不同的进程就能获得各自独立的物理内存空间。

　　另外在有的操作系统里，进程不是调度单位，线程是最基本的调度单位，调度器只调度线程，不调度进程，如VxWorks。

　　总结：

　　1、单CPU中进程只能是并发，多CPU计算机中进程可以并行。

　　2、单CPU单核中线程只能并发，单CPU多核中线程可以并行。

　　3、无论是并发还是并行，使用者来看，看到的是多进程，多线程。

进程和线程

根本区别：进程是操作系统资源分配的基本单位，而线程是任务调度和执行的基本单位

在开销方面：

• 每个进程都有独立的代码和数据空间（程序上下文），程序之间的切换会有较大的开销；
• 线程可以看做轻量级的进程，同一类线程共享代码和数据空间，每个线程都有自己独立的运行栈和程序计数器（PC），线程之间切换的开销小。

所处环境：在操作系统中能同时运行多个进程（程序）；而在同一个进程（程序）中有多个线程同时执行（通过CPU调度，在每个时间片中只有一个线程执行）

内存分配方面：系统在运行的时候会为每个进程分配不同的内存空间；而对线程而言，除了CPU外，系统不会为线程分配内存（线程所使用的资源来自其所属进程的资源），线程组之间只能共享资源。

包含关系：没有线程的进程可以看做是单线程的，如果一个进程内有多个线程，则执行过程不是一条线的，而是多条线（线程）共同完成的；线程是进程的一部分，所以线程也被称为轻权进程或者轻量级进程。

4核8线程实质

1核两线程（实现超线程），线程执行仍然并发执发，假并行；

最后说下我们最熟悉的东西4核8线程和6核12线程；

每个单位时间内，一个CPU只能处理一个线程（操作系统：thread），以这样的单位进行，如果想要在一单位时间内处理超过一个线程是不可能的，除非是有两个CPU的实体单元。

多核心技术是将多个一样的CPU放置于一个封装内（或直接将两个CPU做成一个芯片），而英特尔的HT技术是在CPU内部仅复制必要的资源、让CPU模拟成两个线程；也就是一个实体核心，两个逻辑线程，在一单位时间内处理两个线程的工作，模拟实体双核心、双线程运作。
四核即代表着该CPU具有四个“CPU”，八线程则意味着每个CPU存有两个逻辑线程，总共有八个线程。就是超线程技术；

超线程技术是在一颗CPU同时执行多个程序而共同分享一颗CPU内的资源，理论上要像两颗CPU一样在同一时间执行两个线程，P4处理器需要多加入一个Logical CPU Pointer（逻辑处理单元）。因此新一代的P4 HT的的面积比以往的P4增大了5%。而其余部分如ALU（整数运算单元）、FPU（浮点运算单元）、L2 Cache（二级缓存）则保持不变，这些部分是被分享的。但是实际性能要比现在的物理双核差远了，也就是并发执行的；

这样做的原因在于cpu处理的速度和内存或者寄存器或缓存 存取数据速度差别不是一个等量级的，我们实现超线程技术仍然满足不了cpu的胃口，因此是可能的，但是如果cpu经常处于满载的状态 时，那么还是卡，不如多核或多cpu