认识cpu、核、进程与线程——备忘篇

前言：作为一个运维人员，我想有必要了解这些基础硬件知识。如果本文有不严谨或者疏忽的地方，请指正。

cpu与核心

物理CPU

• 物理CPU是相对于虚拟CPU而言的概念，指实际存在的CPU处理器，安装在PC主板或服务器上。

物理核

• CPU中包含的物理内核（核心）个数，比如多核CPU，单核CPU（古老的CPU）。这个多核或者单核已经集成在CPU内部了。

• 在linux系统下面的/proc/cpuinfo文件的条目中：

  有多少个不同的physical id就有多少个物理CPU。

  cpu cores记录了对应的物理CPU（以该条目中的physical id标识）有多少个物理核。

  
  [root@zyshanlinux-01 ~]# cat /proc/cpuinfo
  processor   : 0
  vendor_id   : GenuineIntel
  cpu family  : 6
  model       : 60
  model name  : Intel(R) Core(TM) i7-4700MQ CPU @ 2.40GHz
  stepping    : 3
  microcode   : 0x22
  cpu MHz     : 2393.631
  cache size  : 6144 KB
  physical id : 0
  siblings    : 1
  core id     : 0
  cpu cores   : 1

• 物理核数量=cpu数(机子上装的cpu的数量)*每个cpu的核心数

逻辑核（逻辑CPU或虚拟核）

• 所谓的4核8线程，4核指的是物理核心。用Intel的超线程技术(HT)将物理核虚拟而成的逻辑处理单元,现在大部分的主机的CPU都在使用HT技术，用一个物理核模拟两个虚拟核，即每个核两个线程，总数为8线程。

• 在windows系统下面看下图，我们看到有8个cpu记录，其实我们使用的四核CPU只是使用HT技术虚拟出来8个逻辑CPU；在linux系统下面的/proc/cpuinfo文件的条目中siblings记录了对应的物理CPU（以该条目中的physical id标识）有多少个逻辑核。

• 在操作系统看来是8个核，但是实际上是1个物理CPU中的4个物理内核。

• 通过超线程技术可以实现单个物理核实现线程级别的并行计算，但是比不上性能两个物理核。

单核cpu和多核cpu

• 都是一个cpu，不同的是每个cpu上的核心数。

• 多核cpu是多个单核cpu的替代方案，多核cpu减小了体积，同时也减少了功耗。

• 一个核心只能同时执行一个线程。

进程和线程

理解

• 进程是操作系统进行资源（包括cpu、内存、磁盘IO等）分配的最小单位。

• 线程是cpu调度和分配的基本单位。

• 我们打开的聊天工具，浏览器都是一个进程。

• 进程可能有多个子任务，比如聊天工具要接受消息，发送消息，这些子任务就是线程。

• 资源分配给进程，线程共享进程资源。

对比

对比	进程	线程
定义	进程是程序运行的一个实体的运行过程，是系统进行资源分配和调配的一个独立单位	线程是进程运行和执行的最小调度单位
系统开销	创建撤销切换开销大，资源要重新分配和收回	仅保存少量寄存器的内容，开销小，在进程的地址空间执行代码
拥有资产	资源拥有的基本单位	基本上不占资源，仅有不可少的资源（程序计数器，一组寄存器和栈）
调度	资源分配的基本单位	独立调度分配的单位
安全性	进程间相互独立，互不影响	线程共享一个进程下面的资源，可以互相通信和影响
地址空间	系统赋予的独立的内存地址空间	由相关堆栈寄存器和和线程控制表TCB组成，寄存器可被用来存储线程内的局部变量

线程切换

• cpu给线程分配时间片(也就是分配给线程的时间)，执行完时间片后会切换都另一个线程。

• 切换之前会保存线程的状态，下次时间片再给这个线程时才能知道当前状态。

• 从保存线程A的状态再到切换到线程B时，重新加载线程B的状态的这个过程就叫上下文切换。

• 而上下切换时会消耗大量的cpu时间。

线程开销

• 上下文切换消耗

• 线程创建和消亡的开销

• 线程需要保存维持线程本地栈，会消耗内存

串行，并发与并行

串行

• 多个任务，执行时一个执行完再执行另一个。

• 比喻：吃完饭再看视频。

并发

• 多个线程在单个核心运行，同一时间一个线程运行，系统不停切换线程，看起来像同时运行，实际上是线程不停切换。

• 比喻： 一会跑去厨房吃饭，一会跑去客厅看视频。

并行

• 每个线程分配给独立的核心，线程同时运行。

• 比喻：一边吃饭一边看视频。

多核下线程数量选择

计算密集型

• 程序主要为复杂的逻辑判断和复杂的运算。

• cpu的利用率高，不用开太多的线程，开太多线程反而会因为线程切换时切换上下文而浪费资源。

IO密集型

• 程序主要为IO操作，比如磁盘IO(读取文件)和网络IO(网络请求)。

• 因为IO操作会阻塞线程，cpu利用率不高，可以开多点线程，阻塞时可以切换到其他就绪线程，提高cpu利用率。

总结

• 提高性能的一种方式：提高硬件水平，处理速度或核心数。

• 另一种方式：根据实际场景，合理设置线程数，软件上提高cpu利用率。