CPU相关的知识（多CPU、物理核、逻辑核、超线程、进程、线程、并发、并行）

淩亂°似流年 2022-02-05 03:41 748阅读 0赞

# CPU相关的知识 #

> 本文介绍多CPU、物理核、逻辑核、超线程、进程、线程、并发、并行，以及Linux查询CPU和核的信息的方法

### 易混淆概念 ###

##### 多处理器 #####

认真辨别语境，一般是多CPU的意思；有时可能是多逻辑处理器即多核的意思，好像老外经常把一个CPU里有多个核心当成多个CPU来描述。

##### 逻辑处理器 #####

就是`逻辑核`的意思，Windows 10的中文翻译了这个特别特别容易误解的词。

##### 逻辑CPU #####

有些博客用了这个词表示`逻辑核`的意思，个人怀疑其有没有这样的用法的根据，很容易导致误解，因为我会**认为**，**核就是核，CPU就是CPU，为什么混为一谈，好像核就是CPU一样**

### CPU的一~四级缓存 ###

CPU缓存（Cache Memory）的出现是弥补CPU和主存（主内存，即内存条的）的速度差太大，用于提高效率的，有时可能也叫`高速缓存`。

高速缓存也分了很多层，一到四级，四级很少听但确实是有。一二级是各个核心独有的，三级缓存是所有核共享的，四级缓存似乎是为了解决CPU的集显和CPU的速度差问题（CPU内可以有显卡）。一般CPU商品中只标出了三级缓存，其他都不标注。如图所示  
![image][]  
（这里看不到L4 Cache，可能是因为只有L1~L3才封装在CPU里）

同样的多个核之间的L1、L2也会有缓存一致性问题，类似多核CPU有一些协议保证多个CPU内部缓存之间**一致性**的协议，同一个CPU内部的多核内部的缓存的一致性问题应该也是有方案解决的。

### 物理核、逻辑核和超线程 ###

*  物理核：是CPU里实实在在封装的物理硬件
 *  逻辑核：利用超线程技术模拟出来的核，一般一个物理核可以虚拟出2个，就是CPU商品标出的`线程数`，有些资料也叫`逻辑CPU数`
 *  超线程：HT，Hyper-Threading，超线程技术就是让一个核模拟出两个核的技术
 *  物理CPU：即主板上插了多少个的CPU芯片
 *  虚拟CPU：假的、虚拟的CPU，类似VMWare虚拟机中的CPU

疑惑：

逻辑核似乎有些时候被翻译成`逻辑处理器`，而`处理器`通常被我理解为`CPU`，所以逻辑核，就是`逻辑CPU`吗? 但这种翻译真的会有点模糊不清容易造成误解。  
![image][image 1]

### 线程和核的关系 ###

线程需要 `核` 执行，一个`核`在同一时间只能执行一条线程，这里的核指逻辑核。

### 决定同时执行线程数的是逻辑核还是物理核 ###

逻辑核心多少个，就可以 “同时” 执行多少线程。

n个物理核，一般有2n个逻辑核，如果只能同时运行物理核数个个线程（n），那超线程技术模拟出来的核有什么用? 况且很多CPU的商品也不标 “逻辑核数”，用的词是 “线程数”，意思应该就是逻辑核心多少个就能同时运行多少个线程（2n）。

### x核y线程（y比x大）是什么意思 ###

CPU商品说的2核4线程，指2个物理核，4个逻辑核。4线程就是4个逻辑核的意思。

### 进程和线程 ###

*  进程是操作系统层面的概念，线程是CPU层面的东西，CPU真正执行的是线程而不是进程
 *  进程是是静态的概念，是一些资源的集合，比如进程有自己的内存；而线程是动态的概念
 *  进程可以有多个线程，这些线程共享同一份进程的资源
 *  多进程，目前多核的情况下，可以做到多个进程同时执行；当然也就可以做到多个线程同时执行。但是单核的CPU无法做到 “同时”
 *  进程是一定有端口号吗? 不一定，没网络暴露的就没有

### 并发和并行 ###

> 并发（concurrency）和并行（parallelism）

参考[这里][Link 1]

简单说，

*  并行是说物理上的 “同时” 被执行。
 *  并发是一种程序设计，能够让多个任务在逻辑上交织执行。
    
    并发设计的程序，可以启动n个线程，比如2个，然后交给2个核，这时两个线程就是并行执行的（“同时”）；这两个线程也可以被1个核 “交替” 执行。

很多时候，会认为`并行`就是真的同时执行，而`并发`就是交替执行，这是一般的理解，但是`并发`真正含义是指设计的程序允许同时 或 交替执行，是一种**程序设计方案**。

### 多CPU 和 单CPU多核 ###

估计是提高计算能力的两个方案，最终选择`单CPU多核`方案多一点。

`多CPU` 估计也有市场，也有些服务器是多CPU的。

不过作为程序员，公司买的服务器似乎真的见不到多CPU的。

为什么`单CPU多核`方案更胜一筹，主要是这个方案更好，多个核心之间通信不需要走外部的总线，只需要走CPU内部总线，会快得多。另外`单CPU多核`也成本较`多CPU`低，只需要一套芯片组，一套存储，多核之间通过芯片内部总线进行通信，共享使用内存。

多核CPU缓存一致性协议有MSI、MESI（Illinois Protocol）、MOSI、Synapse、Firefly及 Dragon Protocol等。

单CPU多核内部缓存一致性协议：暂不清楚，请自行搜索。

`多CPU` 的市场：多CPU适用于大计算量，对速度（时间）不（太）敏感的任务，比如一些工程建模，或者像SATI找外星人这种极端的，跑上几千年都不着急的。

### 单CPU单核 ###

#### 单CPU单核 跑多线程效率一定降低吗? ####

**不一定**

*  降低：如果多线程跑的都是CPU密集型任务，有可能会降低效率，因为仅有的一个核被用满了还要被调度来调度去浪费时间
 *  提升：如果多线程跑的都是IO密集型任务，有可能会提高，因为IO比CPU运行慢得多，来回切换线程，让这个核物尽其用。其调度损耗是值得的。

> 举个例子：我有两家店（两个任务），这两家店隔了一条街道，我招了一个工人（一个CPU核），如果打理一家店铺就很忙得不可开交，你还让他打理两家店，来回在两家店跑来跑去，这反而降低了效率。如果这两个店铺都是处理1小时事情之后闲3个小时的，显然让他来回在两家店跑能榨干他的价值，能提高效率

### 单CPU多核 ###

经常会听到 `CPU都普及多核了，编程应该好好利用`，其实确实是存在目前的编程没有充分利用多核CPU的性能，不过可能是因为多线程的编程比较复杂的原因。

单CPU多核，对于多线程确实提升作用大。`不要钱的话肯定是多核比单核CPU好的呀`。

### Linux中查看CPU和核信息 ###

`cat /proc/cpuinfo` 得到的信息应该是以逻辑核为单位的列表信息。每个逻辑核的信息包括其归属的物理核ID（core id），以及其归属的物理CPU的ID（physical id）

#### 一、列出`物理CPU`及各自的`物理核`数 ####

假设输出如下，则表示有2个物理CPU，第一个CPU有4个物理核，第二个CPU也是4个：
    physical id : 0 cpu cores : 4
    physical id : 1 cpu cores : 4

#### 二、列出`物理CPU`及各自的`逻辑核`数 ####

`cat /proc/cpuinfo | grep "physical id" | sort | uniq -c`

假设输出如下，则表示有两个物理CPU，各自包含8个逻辑核
    8 physical id : 0
    8 physical id : 1

#### 三、查询CPU类型（虚拟、真实） ####

`cat /proc/cpuinfo`后查看`model name`，

例如`Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2682 v4 @ 2.50GHz` 大概表示是真实CPU

或者`QEMU Virtual CPU version (cpu64-rhel6)` 表示虚拟CPU

#### 四、查询CPU是否支持超线程 ####

按照上面两个结果

physical id : 0 cpu cores : 4
    physical id : 1 cpu cores : 4
    
    和
    
    8 physical id : 0
    8 physical id : 1
    
    可以得出第一个CPU（physical id是0）支持，因为其物理核4个逻辑核却又8个，第二个CPU（id是1）同样也支持。
    
    如果物理核和逻辑核的数量不等，不代表不支持，可能没打开开关。

#### 五、top命令显示的核数是? ####

> 输入`top`按`1`可以展示出所有逻辑核，从`Cpu0~CpuN`，就是说有`N+1`个逻辑核。

是逻辑核数。

#### 六、Java进程占用CPU超过100% ####

> `top`查看进程的`%CPU`值，为什么会CPU占用率超过100%

因为该进程占用超过一个核，占满2个核就是200%了。

#### 七、/proc/cpuinfo文件解释 ####

* model name：是CPU的型号主频一些信息，
    例如`Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2682 v4 @ 2.50GHz`
    或者`QEMU Virtual CPU version (cpu64-rhel6)`
    应该能大概看得出是虚拟CPU还是真实的CPU
    
    * processor：指逻辑核ID，比如0，表示第1个逻辑核，不是零个逻辑核意思
    * physical id：物理CPU的ID，0表示第一个
    * core id：物理核的ID，0表示第一个
    * cpu cores：该物理CPU有多少个物理核
    * siblings：该物理CPU有多少个逻辑核（跟cpu cores不一样表示开启了超线程技术，否则表示不支持该技术或者未开启）

#### 八、其他补充 ####

其实有了上面的教程，就**没必要看这个了**，由于非常多其他博客也列出来了，这里也列出来。

##### 1、物理CPU数 #####

`cat /proc/cpuinfo | grep 'physical id' | uniq |wc -l`

uniq是为了去掉多个逻辑核同属于一个物理CPU

##### 2、物理核数（所有CPU） #####

`cat /proc/cpuinfo | grep 'core id' | uniq |wc -l`

uniq为了去掉多个逻辑核属于同一个物理核

上述计算方式是计算**所有**CPU加起来有多少核，并不是计算某个CPU有多少核

##### 3、物理核数（某个CPU） #####

`cat /proc/cpuinfo` 后查看`cpu cores`，该值记录了对应的物理CPU（以该条目中的physical id标识）有多少个物理核。

##### 4、逻辑核数（所有CPU） #####

> 逻辑核数，有些地方会`逻辑CPU数`

`cat /proc/cpuinfo | grep 'processor' | wc -l`

##### 5、逻辑核数（某个CPU） #####

`cat /proc/cpuinfo`后查看`siblings`，该值记录了对应的物理CPU（以该条目中的physical id标识）有多少个逻辑核。

##### 6、查看是否支持超线程 #####

`cat /proc/cpuinfo`后查看`siblings`和`cpu cores`不一致，说明该physical id的CPU支持超线程，如果一致，明不支持超线程，或者超线程未打开。

### 最后：补充关于超线程 ###

写这篇文章已经过了很久了，补充一点内容。

我们经常听到双核四线程、四核八线程等等概念，通常是n核2n线程这样通常是2倍的（我还没听过不是2倍的）

究竟超线程是什么呢? 这里我靠着之前看的资料的记忆，写一点。

**比喻**  
cpu像作坊（比喻成工厂也行，但是一般作坊的人数小一点，人数相当于物理核数，cpu的物理核数一般不会很多，所以作坊比较合适）

人就像物理核，每个工人有两条传送带，人在两条传送带上来回切换，将人的时间榨到最尽。两条传送带，意思就是2个物理核。4核八线程，意思就是作坊里有4个人，每个人有2条传送带，即总共8条传送带（线程）。

PS：传送带给传送的是待处理的零部件，相当于指令带上传送的指令。

超线程技术应该就是因特尔长期观察、总结的经验，即CPU的核心经常不能跑满，为了尽量榨干性能，所以模拟出了虚拟的核。

**问题**：你说4核8线程这种技术，真的能在同一时刻执行程序的8条线程吗? 我感觉似乎不行，毕竟是假的8核。就有点点像是Java里的多线程一样。

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[Link 1]: https://laike9m.com/blog/huan-zai-yi-huo-bing-fa-he-bing-xing,61/