我要理解的CPU、核心，进程、线程，串行、并发、并行

淩亂°似流年 2022-01-30 14:41 265阅读 0赞

注意看修饰词。

# 1、计算机硬件基本组成 #

一个计算机（冯·诺依曼结构）【主要】硬件组成：

*  **主板：**是“交通枢纽”，各个部件工作的所在平台，它负责将各个部件紧密连接在一起，各部件通过主板进行数据传输
 *  **CPU：**中央处理器（Central Processing Unit），决定电脑的性能等级。主要有3大组成部分
    
     *  运算器：算术逻辑运算单元（ALU，Arithmetic Logic Unit），负责执行所有的数学和逻辑工作
     *  控制器：控制单元（CU，Control Unit），控制计算机的所有其他部件，如输入输出设备以及存储器
     *  寄存器：存储单元，包括CPU片内缓存和寄存器组，是CPU中暂时存放数据的地方
 *  **内存：**将输入设备接收到的信息以二进制的数据形式存到存储器中
    
     *  RAM
     *  ROM
     *  CMOS
 *  **外存：**辅助存储器，像硬盘等，能长期保存信息
 *  显卡、网卡、声卡、电源、键盘、鼠标、显示器等  
    ![在这里插入图片描述][20190519200456513.png]

win10下观察其内存动态使用图：  
![在这里插入图片描述][20190519204557641.png]  
CPU是一块超大规模的集成电路，是一台计算机的运算核心（Core）和控制核心（ Control Unit）。它的**功能主要是解释计算机指令、处理计算机软件中的数据。**  
![在这里插入图片描述][20190519235114686.png]  
CPU工作原理图：  
![在这里插入图片描述][20190519203353802.png]

windows10下 CPU动态使用图：  
![在这里插入图片描述][20200323161012368.png]  
上述这款CPU的 构造：  
![在这里插入图片描述][20200323161342218.png]  
这就是我们购买电脑时，所看到的CPU参数：该电脑拥有`1个CPU，它有4个内核（表示有4个相对独立的CPU核心单元组，这是物理概念）`。

上述这个CPU可描述为：单CPU 4核心 4线程。4核 指的是物理核心（物理概念）。4线程（线程数是一个逻辑概念）。

> 上述这个CPU不支持 超线程技术。超线程技术、虚拟化技术 是两个不同的东西。

也可以通过cmd，`wmic`，`cpu get`查看：

*  NumberOfCores：表示CPU核心数
 *  NumberOfLogicalProcessors：表示CPU线程数

多核 是指一个CPU有多个核心处理器，处理器之间通过**CPU内部总线**进行通讯。

多CPU是指简单的多个CPU工作在同一个系统上，多个CPU之间的通讯是**通过主板上的总线**进行的。

![在这里插入图片描述][20190520113314511.png]

参考文章：  
[CPU个数，核心数，线程数][CPU]

# 2、进程（process）、线程（thread） #

![在这里插入图片描述][20190519214940824.png]  
注意下方语句中的 主体：操作系统、CPU

**进程：**是**操作系统（OS）**进行资源（CPU、内存、磁盘、IO、带宽等）分配的最小单位；

是OS对正在运行的程序的一种抽象，是应用程序的执行实例，每个进程是由私有的虚拟地址空间、代码、数据和其它各种系统资源组成。

打开一个浏览器、一个聊天窗口分别是一个进程。进程可以有多个子任务，如聊天工具接收消息、发送消息，这些子任务是线程。  
资源分配给进程，线程共享进程资源。

**线程：**是**CPU**调度和分配的基本单位。  
一个进程可由多个线程的执行单元组成，每个线程都运行在同一进程的上下文中，共享同样的代码和全局数据。  
每个进程至少有一个主执行线程，它无需由用户主动创建，一般由系统自动创建。系统创建好进程后，实际上就启动了执行该进程的执行主线程，执行主线程以函数地址形式，即程序入口函数（如 main函数），将程序的启动点提供给操作系统。主执行线程终止了，进程也就随之终止。

线程数 是一种逻辑概念，是模拟出的CPU核心数。

进程和线程的关系：进程可以简单理解为一个容器，有自己独立的地址空间，其内部的各个线程共享该地址空间。  
其实严格讲应该是线程能够获得CPU资源，进程对CPU资源的获取也是体现在线程上的。至于CPU内核数，和进程线程没直接关系。操作系统（OS）可以把某个进程部署在某个CPU核上，当然这要取决于系统设计。

线程是CPU调度和分配的最小单位，操作系统会根据进程的优先级和线程的优先级去调度CPU。一个计算机可以并发（同时）的线程数，等于计算机上的逻辑处理器的个数（`CPU个数 *每个CPU核心数 *每个内核线程数`）。

进程、线程是操作系统调度的，进程本身不会负责调度线程。在操作系统看来，线程和进程其实差不多，不同点是线程是迷你的进程，并且进程可以包含多个线程。

<table> 
 <thead> 
 <tr> 
 <th>对比</th> 
 <th>进程</th> 
 <th>线程</th> 
 </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td>定义</td> 
 <td>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</td> 
 <td>线程是进程运行和执行的最小调度单位</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>系统开销</td> 
 <td>创建撤销切换开销大，资源要重新分配和收回</td> 
 <td>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</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>拥有资产</td> 
 <td>资源拥有的基本单位</td> 
 <td>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）</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>调度</td> 
 <td>资源分配的基本单位</td> 
 <td>独立调度分配的单位</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>安全性</td> 
 <td>进程间相互独立，互不影响</td> 
 <td>线程共享一个进程下面的资源，可以互相通信和影响</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>地址空间</td> 
 <td>系统赋予的独立的内存地址空间</td> 
 <td>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</td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

##  ##

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

程序与进程、线程的关系

程序 只是一组指令的有序集合，它本身没有任何运行的含义，只是一个静态的实体。  
而进程则不同，它是程序在某个数据集上的执行（即 进程是程序的一次执行），是一个动态的实体，有自己的生命周期，因创建而产生、因调度而运行、因等待资源或事件而被处于等待状态、因任务完成而被撤销，反映的是一个程序在一定的数据集上运行的全部动态过程。

进程和程序并不是一一对应的：一个程序执行在不同的数据集上就成为不同的进程，可以用进程控制块来唯一地标识每个进程。这是程序无法做到的，因为程序没有和数据产生直接的联系，即使是执行不同的数据的程序，但它们的指令的集合依然是一样的，因此无法唯一地标识出这些运行在不同数据集上的程序。  
一般来说，一个进程肯定有一个与之对应的程序，而且只有一个。而一个程序有可能没有与之对应的进程（因为它没有执行）、也可能有多个进程与之对应（运行在不同的数据集上）。

不同的进程可以执行同一段程序，比如读取同一个文件数据，它们的读取函数的代码是相同的，并被2个进程或线程运行了。

一般情况下，写一个程序，没有单独开线程，那么默认这个程序的一次运行就是一个单进程；而如果调用了fork，这时将会有2个进程，调用thread，则这个进程就会有2个线程。

进程是一个实体，每一个进程都有它自己的内存地址段（heap、stack等），进程是执行中的程序。

程序是一个没有生命的实体，只有处理器赋予程序生命时，才能成为一个活动的实体。

线程，程序执行的最小单元，每个程序都至少有一个线程，若程序只有一个线程，那就是它程序本身。单线程的进程可以简单地理解为只有一个线程的进程。一个进程在同一时间只做一件事，但有了多线程后，一个进程同一时间可以做多件事，每个线程可以处理不同的事务。无论系统有几个CPU，其实进程运行在单CPU上，多线程也可以是进程并发处理多个事务。一个线程阻塞不会影响另一个线程。

多线程的进程可以尽可能地利用系统CPU资源，但也不是线程越多越好，线程越多，CPU分配给每个线程的时间就越少。

线程 包含了表示进程内执行环节所必需的信息：标识线程的线程ID、一组寄存器值、栈、调度优先级和策略、信号屏蔽字、errno变量、线程私有数据。  
对于内存而言，堆内存、代码区一般属于一个进程，但是栈却是属于一个线程的，且每个线程拥有一个独立的栈。  
errno也是属于单个线程的，每个线程中的errno是独立的。  
进程内所有信息对于线程是共享的，包括执行代码、全局变量、堆内存、栈、文件描述符。

总结：  
进程和线程都是一个时间段的描述，是CPU工作时间段的描述：

*  进程就是上下文切换的程序执行时间总和 = CPU加载上下文+CPU执行+CPU保存上下文
 *  线程是共享了进程的上下文环境，的更为细小的CPU时间段。

# 3、串行、并发、并行 #

这些概念对于进程、线程都适用。

3.1、串行

多个任务，执行时一个执行完再执行另一个。

3.2、并发（concurrency）

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。

即一个指令 和另一个指令交错执行，操作系统实现这种交错执行的机制称为：上下文切换。上下文是指操作系统保持跟踪进程或线程运行所需的所有状态信息，如寄存器文件的当前值、主存内容等

3.3、并行（parallelism）

每个线程分配给独立的核心，线程同时运行。

单核CPU多个进程或多个线程内能实现并发（微观上的串行，宏观上的并行）；多核CPU线程间可以实现微观上并行。

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。

# 4、CPU处理程序 #

4.1、单核CPU处理程序

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。

**单进程多线程处理：**

在一个程序里，有两个功能：听歌、发送消息，这就是单进程2线程。如果听歌线程获取了锁，那么这个线程将获取CPU的运行时间，其他线程将被阻塞。但CPU始终处于运行状态，影响计算时间的其实只是加锁、解锁的时间，并不会发生CPU空闲的现象，CPU利用率100%。

线程阻塞：一般是被动的，在抢占资源中得不到资源，被动的挂起在内存，等待某种资源或信号将它唤醒。（释放CPU，不释放内存）

**多进程处理：**  
将听歌、发消息分别写出两个独立的程序，独立运行，与上面不同的是，如果进程间需要通信，比如交换数据，则会需要很多步骤，效率低。

4.2、多核CPU处理程序

单进程多线程处理：线程可以跨核处理，进程之间则不能，如同支付宝不能访问QQ一样（安全性）。  
跟单核对比：如果A核处理听歌线程阻塞，B核空闲，则CPU工作效率下降一半；没有阻塞时，QQ的A线程听歌、B线程发消息，多核CPU效率比单核快很多。

多进程多线程处理：不同的程序，不可能一个进程融合QQ、支付宝、浏览器等

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。

进程：处理任务多，每个进程都有独立的内存单元，占用CPU资源相对较少。缺点是 进程间切换开销大。进程之间通信就如同两个程序之间的通信。

线程：处理任务相对较少，同时为了处理【并发】，多个线程共享内存单元，占用资源少。线程之间的通信就如同一个程序里的两个函数间通信，在函数里定义一个全局变量，两个线程（两个函数）都能用，线程间共享内存。

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[CPU]: https://blog.csdn.net/hong10086/article/details/81633669
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