Unix/Linux编程：CPU、核心，进程、线程，串行、并发、并行

雨点打透心脏的1/2处 2022-12-04 09:15 90阅读 0赞

# 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][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]  
    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][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]  
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    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]

在初期，技术上一个CPU上只能由一个核心，随着技术的进步，我们能够把多个CPU继承到一起，这种CPU我们就叫它多核CPU

*  **同一个时刻单个CPU核上只能运行一个任务。**
 *  1个CPU4核4线程：一个CPU指的是一个物理CPU，4核心可以看成是该CPU实际上由4个小的CPU组成，同一时刻每个小的CPU只能执行一个任务，所以这个CPU也可以说它是4核4线程
 *  1个CPU4核8线程： 由于CPU的主频很快，切换任务很快，造成了一个CPU上有多个线程在运行一样。

总结：

*  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][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]

# 2、进程（process）、线程（thread） #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]  
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**执行的基本单位。

*  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。

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。**

线程数 是一种逻辑概念，是模拟出的CPU核心数。

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。

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  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]  
    **进程是程序的一次执行**
 *  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。

进程和程序并不是一一对应的：

*  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（程序可以运行多次）。
 *  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。

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

并发可以独立的并行执行，也可以串行执行

## 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

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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。

*  **在现代Unix实现中，每个进程都可执行多个线程。夸奖线程想象为共享同一虚拟内存以及一干其他属性的进程。每个进程都会执行相同的函数代码，共享同一数据区段和堆。可是，每个线程都有属于自己的栈，用了装载本地变量和函数调用链接信息**。
 *  线程之间可以通过共享的全局变量进行通信。借助于线程API所提供的条件变量和互斥机制，进程所属限制之间得以相互通信并同步行为----尤其是在对共享变量的使用方面。另外，通过IPC和同步机制，线程间也能彼此通信
 *  线程的主要优点在于协同线程之间数据共享(通过全局变量)更加容易，而且就某些算法而来，以多线程实现比多进程实现更加自然。另外，多线程应用能从多处理器硬件的并行处理中获益匪浅

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