CPU?核數(shù)與線程數(shù)有什么關(guān)系？

時(shí)間：2021-08-19 15:48:48

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[導(dǎo)讀]作為一名美食資淺愛(ài)好者，盡管小風(fēng)哥我廚藝拙計(jì)，但依然阻擋不了我對(duì)烹飪的熱愛(ài)。那小風(fēng)哥我通常是怎么做菜的呢？大廚與菜譜你沒(méi)猜錯(cuò)，做菜之前先去下一份菜譜，照著菜譜一步步來(lái)：起鍋燒油、蔥姜蒜末下鍋爆香、倒入切好的食材、大火翻炒、加入適量醬油、加入適量鹽、繼續(xù)翻炒、出鍋嘍！這樣一道色香味...

作為一名美食資淺愛(ài)好者，盡管小風(fēng)哥我廚藝拙計(jì)，但依然阻擋不了我對(duì)烹飪的熱愛(ài)。那小風(fēng)哥我通常是怎么做菜的呢？
大廚與菜譜

你沒(méi)猜錯(cuò)，做菜之前先去下一份菜譜，照著菜譜一步步來(lái)：起鍋燒油、蔥姜蒜末下鍋爆香、倒入切好的食材、大火翻炒、加入適量醬油、加入適量鹽、繼續(xù)翻炒、出鍋嘍！ CPU?核數(shù)與線程數(shù)有什么關(guān)系？

這樣一道色香味俱佳的小炒大功告成，裝盤(pán)端出來(lái)拿起筷子一嘗，難吃死了 CPU?核數(shù)與線程數(shù)有什么關(guān)系？

。火候有點(diǎn)過(guò)，醬油加的有點(diǎn)少，鹽加多了，中餐里的“火候”以及“適量”是最為神秘的存在，可以意會(huì)不可言傳。因此相對(duì)肯德基麥當(dāng)勞之類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)品，中餐更像是藝術(shù)。每個(gè)人炒出來(lái)的菜味道都不一樣，顯然嘛，每個(gè)人對(duì)火候以及適量的理解是不一樣的。對(duì)不起，跑題了 CPU?核數(shù)與線程數(shù)有什么關(guān)系？

。雖然小風(fēng)哥我廚藝不怎么樣，但輸廚藝不能輸氣場(chǎng)，有時(shí)我會(huì)幾樣一起來(lái)，這邊炒著A菜，那邊炒著B(niǎo)菜。也就是說(shuō)，我可以同時(shí)按照兩份菜譜去做飯，如果小風(fēng)哥足夠快，那么我可以同時(shí)炒 N 樣菜。

炒菜與線程

實(shí)際上CPU和廚師一樣，都是按照菜譜(機(jī)器指令)去執(zhí)行某個(gè)動(dòng)作，從操作系統(tǒng)的角度講當(dāng)CPU切換回用戶態(tài)后，CPU執(zhí)行的一段指令就是線程，或者說(shuō)屬于某個(gè)線程。 CPU?核數(shù)與線程數(shù)有什么關(guān)系？

這和炒菜一樣，我可以按照菜譜抄魚(yú)香肉絲，那么炒菜時(shí)這就是魚(yú)香肉絲線程；我可以按照菜譜抄宮保雞丁，那么炒菜時(shí)這就是宮保雞丁線程。廚師個(gè)數(shù)就好比CPU核心數(shù)，炒菜的樣數(shù)就好比線程數(shù)，這時(shí)我問(wèn)你，你覺(jué)得廚師的個(gè)數(shù)和可以同時(shí)抄幾樣菜有關(guān)系嗎？答案當(dāng)然是沒(méi)有。CPU的核心數(shù)和線程個(gè)數(shù)沒(méi)有什么必然的關(guān)系。單個(gè)核心上可以跑任意多個(gè)線程，只要你的內(nèi)存夠就行；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)也可以有任意多核數(shù)，只要你有錢(qián)就行。看到這個(gè)答案你是不是覺(jué)得有點(diǎn)疑惑、有點(diǎn)疑問(wèn)、有點(diǎn)不明所以，這好像和其它人說(shuō)的不一樣??！別著急，我們慢慢講。

傻傻的CPU

CPU根本不理解自己執(zhí)行的指令屬于哪個(gè)線程，CPU也不需要理解這些，CPU需要做的事情就是根據(jù)PC寄存器中的地址從內(nèi)存中取出后執(zhí)行，其它沒(méi)了。 CPU?核數(shù)與線程數(shù)有什么關(guān)系？

你看CPU才不管你系統(tǒng)內(nèi)有多少線程。有多少線程是誰(shuí)需要來(lái)關(guān)心的呢？是操作系統(tǒng)。線程是操作系統(tǒng)的把戲。

操作系統(tǒng)與多任務(wù)

很久很久以前，計(jì)算機(jī)一次只能執(zhí)行一個(gè)任務(wù)，你不能像現(xiàn)在這樣在計(jì)算機(jī)上一邊看電影一邊在下小電影，哦，不對(duì)，一邊寫(xiě)代碼，一邊下載資料。要么你先寫(xiě)代碼，寫(xiě)完代碼后再去下資料，要么你先下資料然后再寫(xiě)代碼，總之，這兩個(gè)任務(wù)不能同時(shí)進(jìn)行。這顯然很不方便，就這樣，多任務(wù)——Multi-Tasking，誕生了。 CPU?核數(shù)與線程數(shù)有什么關(guān)系？

你CPU不是只知道執(zhí)行機(jī)器指令嗎？很好，那我操作系統(tǒng)就通過(guò)修改你的PC寄存器，讓你CPU執(zhí)行A任務(wù)的機(jī)器指令一段時(shí)間，然后下一段時(shí)間再去執(zhí)行B任務(wù)的機(jī)器指令，再然后下一個(gè)時(shí)間段去執(zhí)行C任務(wù)的機(jī)器指令，由于每一段時(shí)間非常少，通常在毫秒級(jí)別，那么在人類(lèi)看來(lái)A、B、C三個(gè)任務(wù)在“同時(shí)”運(yùn)行。這就是多任務(wù)的本質(zhì)。

進(jìn)程與線程

CPU不知道執(zhí)行的某一段機(jī)器指令屬于A任務(wù)還是B任務(wù)，只有操作系統(tǒng)知道，同時(shí)操作系統(tǒng)還能知道任務(wù)A和B任務(wù)是否屬于同一個(gè)地址空間。如果屬于同一個(gè)地址空間，那么任務(wù)A和任務(wù)B就是我們熟悉的“多線程”；如果不屬于同一個(gè)地址空間，那么任務(wù)A和任務(wù)B就是我們熟悉的“多進(jìn)程”，現(xiàn)在你應(yīng)該明白這兩個(gè)概念了吧。 CPU?核數(shù)與線程數(shù)有什么關(guān)系？

這里出現(xiàn)了一個(gè)有點(diǎn)拗口的名詞，地址空間，Address Space，關(guān)于地址空間的概念以及進(jìn)程線程這一部分更加詳細(xì)的講解，請(qǐng)參考小風(fēng)哥的《深入理解操作系統(tǒng)》第7章，關(guān)注公眾號(hào)"碼農(nóng)的荒島求生"并回復(fù)”操作系統(tǒng)“即可。值得注意的是，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還在單核時(shí)代就已經(jīng)有多線程的概念了，我們之前說(shuō)過(guò)，即使是單核也可以執(zhí)行多個(gè)線程，那么有的同學(xué)可能會(huì)有疑問(wèn)，在單核的系統(tǒng)中開(kāi)啟多個(gè)線程有什么意義嗎？

單核與多線程

假設(shè)現(xiàn)在有兩個(gè)任務(wù)，任務(wù)A和任務(wù)B，每個(gè)任務(wù)需要的計(jì)算時(shí)間都是5分鐘，那么無(wú)論是任務(wù)A和任務(wù)B串行執(zhí)行還是放到兩個(gè)線程中并行執(zhí)行，在單核環(huán)境下執(zhí)行完這兩個(gè)任務(wù)總需要10分鐘，因此有的同學(xué)覺(jué)得單核下多線程沒(méi)什么用。實(shí)際上，線程這個(gè)概念為程序員提供了一種編程抽象，我們可以把一項(xiàng)任務(wù)進(jìn)行劃分，然后把每一個(gè)子任務(wù)放到一個(gè)個(gè)線程中去運(yùn)行。 CPU?核數(shù)與線程數(shù)有什么關(guān)系？

假如你的程序帶有圖形界面，某個(gè)UI元素背后需要的大量運(yùn)算，這時(shí)為了防止執(zhí)行該運(yùn)算時(shí)UI產(chǎn)生卡頓，那么可以把這個(gè)運(yùn)算任務(wù)放到一個(gè)單獨(dú)的線程中去。因此如果你的目的是防止當(dāng)前線程因執(zhí)行某項(xiàng)操作而不得不等待，那么在這樣的應(yīng)用場(chǎng)景下，你根本就不需要關(guān)心系統(tǒng)內(nèi)是單核還是多核以及有多少個(gè)核。

阻塞式I/O

這也是使用線程的經(jīng)典場(chǎng)景。如果沒(méi)有線程，那么執(zhí)行阻塞式I/O時(shí)整個(gè)進(jìn)程會(huì)被操作系統(tǒng)暫停，但如果你開(kāi)啟兩個(gè)線程，其中一個(gè)線程被阻塞時(shí)另一個(gè)線程依然可以繼續(xù)向前推進(jìn)。這樣的話你就不需要去使用反人類(lèi)的異步IO了。當(dāng)然，這一切的前提是你的場(chǎng)景不涉及高性能以及高并發(fā)，如果涉及的話那這就是另一個(gè)話題了，如果你想了解這一話題，關(guān)注公眾號(hào)“碼農(nóng)的荒島求生”并回復(fù)“高并發(fā)”即可。在這種簡(jiǎn)單的場(chǎng)景下，你創(chuàng)建線程時(shí)也不需要關(guān)心系統(tǒng)中是單核還是多核。

多核時(shí)代

實(shí)際上，線程這個(gè)概念是從2003年左右才開(kāi)始流行的，為什么？因?yàn)檫@一時(shí)期，多核時(shí)代到來(lái)了。 CPU?核數(shù)與線程數(shù)有什么關(guān)系？

之所以產(chǎn)生多核，是因?yàn)閱魏说男阅芴嵘絹?lái)越困難了。盡管采用多進(jìn)程也可以充分利用多核，但畢竟多進(jìn)程編程是很繁瑣的，這涉及復(fù)雜的進(jìn)程間通信機(jī)制、進(jìn)程間切換的較高性能損耗、進(jìn)程間內(nèi)存相互隔離帶來(lái)的對(duì)內(nèi)存消耗等。線程這個(gè)概念很好的解決了上述問(wèn)題，開(kāi)始成為多核時(shí)代的主角，要想充分利用多核資源，線程是程序員的首選工具。

真正的并行

有了多核后，運(yùn)行在兩個(gè)線程中的任務(wù)A和任務(wù)B實(shí)現(xiàn)了真正的并行。此前這樣一句話廣為引用，這句話是這么說(shuō)的：

threads are for people who can't program state machines

“線程是為那些不懂狀態(tài)機(jī)的人準(zhǔn)備的”，這句話在單核時(shí)代有它的道理，因?yàn)樵趩魏藭r(shí)代，所有的任務(wù)都不是在同時(shí)向前推進(jìn)，而是“交錯(cuò)”前進(jìn)，A前進(jìn)一點(diǎn)，然后B前進(jìn)一點(diǎn)，線程并不是實(shí)現(xiàn)這種“偽并行”唯一的方法，狀態(tài)機(jī)也可以。 CPU?核數(shù)與線程數(shù)有什么關(guān)系？

但在多核時(shí)代，這句話就不再適用了，對(duì)于大多數(shù)程序員來(lái)說(shuō)多進(jìn)程多線程幾乎是充分利用多核資源的唯一方法。如果你的場(chǎng)景是想充分利用多核，那么這時(shí)你的確需要知道系統(tǒng)內(nèi)有多少核數(shù)，一般來(lái)說(shuō)你創(chuàng)建的線程數(shù)需要與核數(shù)保持線性關(guān)系。也就是說(shuō)，如果你的核數(shù)翻倍，那么創(chuàng)建的線程數(shù)也要翻倍。
需要多少線程？值得注意的是，線程不是越多越好。如果你的線程是不涉及任何I/O、沒(méi)有任何同步互斥之類(lèi)的純計(jì)算類(lèi)型，那么每個(gè)核心一個(gè)線程通常是最佳選擇。但通常來(lái)說(shuō)，線程都需要一定的I/O，可能需要一定的同步互斥，那么這時(shí)適當(dāng)增加線程可能會(huì)提高性能，但當(dāng)線程數(shù)量到達(dá)一個(gè)臨界值后性能開(kāi)始下降，這時(shí)線程間切換的開(kāi)銷(xiāo)將顯著增加。這里之所以用適當(dāng)這個(gè)詞，是因?yàn)檫@很難去量化，只能用你實(shí)際的程序根據(jù)真正的場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試才能得到這個(gè)值。

總結(jié)

線程數(shù)和CPU核心數(shù)可以沒(méi)有任何關(guān)聯(lián)，如果在使用線程時(shí)僅僅針對(duì)上述提到的幾個(gè)簡(jiǎn)單場(chǎng)景，那么你根本不需要關(guān)心CPU是單核還是多核。但當(dāng)你需要利用線程充分發(fā)揮多核威力時(shí)，通常情況下你創(chuàng)建的線程數(shù)與核數(shù)要保持一種線性關(guān)系，最佳系數(shù)通常需要測(cè)試才能得到。