線程是如何靠中斷切換的呢

上一次的大合集我們從半導(dǎo)體講到了邏輯門，再從邏輯門講到了組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路，又緊接著介紹了CPU內(nèi)核的設(shè)計(jì)體系，最后以CPU的指令集作為結(jié)尾，一個(gè)CPU已經(jīng)頗具雛形。

經(jīng)過11-19章的更新，我們又介紹了線程和進(jìn)程，處理器的中斷和異常、特權(quán)模式以及最主要的緩存。我將用更清楚連貫的語言將這些內(nèi)容重新串講一次，幫助大家更好地理解，當(dāng)然這也是大合集的本來初衷。

下面開始。

首先是線程和進(jìn)程。早期的計(jì)算機(jī)在一段時(shí)間內(nèi)只能運(yùn)行一段代碼，比如計(jì)算導(dǎo)彈軌跡，計(jì)算完了出結(jié)果就好了。這也是計(jì)算機(jī)最本來最初級(jí)的用法。但是隨著計(jì)算機(jī)不斷發(fā)展，尤其是人民生活水平的不斷提高，計(jì)算機(jī)這樣的用法實(shí)在是有些過于枯燥了。比如我想邊用計(jì)算機(jī)聽歌的同時(shí)打下這段文字，就需要計(jì)算機(jī)能同時(shí)做兩件事，于是人們就發(fā)明了線程，而線程之間通過少量的必要的溝通可以組合形成一個(gè)進(jìn)程，也就是我們通常意義上的應(yīng)用程序。比如說音樂播放器中，音樂的播放是一個(gè)線程，用戶的操作界面是另外一個(gè)線程，兩個(gè)線程合起來構(gòu)成了音樂播放器。當(dāng)然，一個(gè)應(yīng)用程序（進(jìn)程）也可以只有一個(gè)線程。每個(gè)線程包括系統(tǒng)線程都被劃定了一個(gè)空間，并且高權(quán)限線程（系統(tǒng)線程）能訪問低權(quán)限線程（應(yīng)用程序）的空間，低權(quán)限線程只能訪問屬于自己的空間，不然病毒線程將大行其道。所以線程的一個(gè)基本屬性需要在CPU中被明確記錄的是權(quán)限等級(jí)。

對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或者CPU來說，越值得信賴的線程的權(quán)限等級(jí)是越高的。什么是越值得信賴的線程呢？計(jì)算機(jī)本身的操作系統(tǒng)肯定是值得信賴的，畢竟如果連操作系統(tǒng)都不能信賴，還有什么值得信賴？不過操作系統(tǒng)雖然值得信賴，但本身肯定多多少少存在一些Bug，不然Windows也不會(huì)天天藍(lán)屏了，但是對(duì)于CPU來講，操作系統(tǒng)即使有無心的錯(cuò)誤，但肯定不會(huì)是有害的錯(cuò)誤。

那么權(quán)限等級(jí)能決定什么呢？能決定這個(gè)線程能訪問哪些內(nèi)容。

話說回來，早期的那個(gè)計(jì)算導(dǎo)彈的程序在現(xiàn)在看來就可以算是一個(gè)線程。而具體是如何做到并行處理的呢？看過三體的同學(xué)應(yīng)該都知道三體人是怎么用一顆智子封鎖地球科技的，靠的就是智子光速來回穿梭干擾在位于地球各處的高能粒子對(duì)撞機(jī)。因?yàn)橹亲铀俣忍炝耍灾恍枰活w就能封鎖整個(gè)地球的科技。CPU也是同理，隨著CPU性能的提升，它也可以快速來回切換并處理不同的線程，底層都是串行的，但給我們的感覺卻是并行的。

當(dāng)然隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，CPU的核心數(shù)早已從單核心變成了多核心，甚至在一些服務(wù)器里我們還能見到多CPU的主板，所以依靠多個(gè)CPU核心，現(xiàn)在也能實(shí)現(xiàn)真正意義上的并行，不過線程數(shù)總是多于CPU核心數(shù)，因此線程的切換即使到了今天也是一直在用的。

那么線程是如何切換的呢？最常見的就是靠中斷了。中斷顧名思義，做到中間的時(shí)候被打斷了，有更高優(yōu)先級(jí)的人物需要處理。什么被打斷了？當(dāng)前執(zhí)行的線程被打斷了。被什么打斷了？不好說，有可能是定時(shí)時(shí)鐘，有可能是你敲擊的鍵盤或你移動(dòng)的鼠標(biāo)，有可能是某一個(gè)線程自己發(fā)出來的“軟中斷”。為什么要有中斷？就我個(gè)人理解，中斷是人與電腦進(jìn)行實(shí)時(shí)交互的窗口，沒有中斷就像你沒有鼠標(biāo)和鍵盤，啥也做不了。但是中斷并不是只有人可以用，計(jì)算機(jī)本身也能用，只要是優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)需要介入就可以用。

所以線程是如何靠中斷切換的呢？

第一個(gè)方法，我稱之為被動(dòng)切換。系統(tǒng)里的計(jì)時(shí)器會(huì)對(duì)該線程計(jì)時(shí)，時(shí)間差不多了（大概是5ms左右，看系統(tǒng)設(shè)定）就該把CPU讓位置出來給另一個(gè)線程了。具體過程是，當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘達(dá)到設(shè)定的時(shí)間時(shí)，向CPU發(fā)送一個(gè)中斷信號(hào)，CPU將現(xiàn)在線程的上下文作為棧保存在內(nèi)存中，暫時(shí)儲(chǔ)存起來，同時(shí)將pc寄存器跳轉(zhuǎn)到內(nèi)存中存有中斷服務(wù)例程的入口處，執(zhí)行中斷服務(wù)例程的程序，程序會(huì)查找得知中斷來源（這一步在高級(jí)的CPU上可以用硬件實(shí)現(xiàn)從而省略軟件查找的過程），進(jìn)而跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)調(diào)度線程，這個(gè)線程會(huì)根據(jù)執(zhí)行情況將一個(gè)新線程調(diào)度到CPU上執(zhí)行，自己則退隱。從而實(shí)現(xiàn)線程的切換。

第二個(gè)辦法，我稱之為主動(dòng)切換。當(dāng)本線程沒事干了，或者說在等另一邊的結(jié)果，那么這個(gè)時(shí)候就會(huì)執(zhí)行一個(gè)軟中斷，自覺地把線程讓出來（要是不自覺就沒辦法了），流程和上面一致，只不過中斷源不再是時(shí)鐘了，而是線程本身，稱之為軟（軟件）中斷。

還有一種辦法不是靠中斷切換線程，也可以并行處理的一種技術(shù)叫做超線程技術(shù)。這個(gè)技術(shù)是Intel率先提出來的，他們聲稱增加5%的晶體管數(shù)量可以提升20%的性能。

可以理解為如果當(dāng)前線程沒事干，而且這個(gè)線程“不自覺退出”，那么硬件直接介入讓另外一個(gè)線程運(yùn)行。與上面靠中斷的第二種方法不同的是，這種切換是CPU硬件自發(fā)的，操控粒度可以更細(xì)（前者只能在軟件層面判斷是否會(huì)有空閑情況發(fā)生，后者則能在硬件層面監(jiān)控，硬件發(fā)生堵塞情況軟件是無法知道的），智能程度會(huì)更高，線程切換的過程消耗也會(huì)更小。如此一來，CPU可以在本該空等的地方擇機(jī)執(zhí)行另外一個(gè)線程的指令，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間管理，縮短了兩個(gè)程序執(zhí)行的總體時(shí)間。

上文中提到的線程切換技術(shù)中除了第一種被時(shí)鐘叫停的以外，基本都是太閑了主動(dòng)讓位或者被讓位的。那么為什么會(huì)出現(xiàn)線程太閑的情況呢？因?yàn)樗麄冊(cè)诘?。等的可能是遠(yuǎn)方服務(wù)器的響應(yīng)，可能是用戶的輸入，可能是內(nèi)存數(shù)據(jù)的返回……前兩種無關(guān)性能，解決不了也不用解決，但是等內(nèi)存可不行，所以介于CPU核心和內(nèi)存之間的緩存出現(xiàn)了。

緩存讀寫速度要比內(nèi)存快，因?yàn)榫彺娌捎玫氖荢RAM存儲(chǔ)器內(nèi)建在CPU上，而內(nèi)存采用的是DRAM。前者可以達(dá)到很高的讀取速度但是面積占用比較大因此容量上不去，在幾M容量就止步了。后者讀取速度慢且每次讀取后都要刷新電容，但面積占用小，因此容量可以達(dá)到好幾個(gè)G甚至幾百幾千個(gè)G。

那為什么緩存能提高CPU性能呢？程序運(yùn)行具有一定規(guī)律——順序和反復(fù)性，即順序執(zhí)行和循環(huán)執(zhí)行。對(duì)于順序執(zhí)行，可以采取預(yù)讀策略。即將后面的程序一并讀取至緩存中，減少內(nèi)存讀取次數(shù)（注意CPU的讀指令并沒有減少，只是內(nèi)存響應(yīng)次數(shù)少了）。緩存行是緩存的基本單位，目前主流緩存行大小是64字節(jié)因?yàn)閮?nèi)存一次讀操作是64字節(jié)，而64位CPU對(duì)數(shù)據(jù)的讀取是8字節(jié)即64bit，因此若CPU要讀的八字節(jié)落入某一緩存行中，該緩存行的內(nèi)容將會(huì)全部從內(nèi)存中被讀取到緩存中，接下來的程序也被這次讀寫一并帶到了緩存中去。對(duì)于循環(huán)執(zhí)行，則正是緩存的強(qiáng)項(xiàng)，之前訪問過的程序都存儲(chǔ)在緩存中，再次讀取時(shí)，直接可以從緩存而不是從內(nèi)存中讀取，大大提高了運(yùn)行效率。

緩存又有分為一級(jí)緩存、二級(jí)緩存等等。他們的速度也有所不同，從一級(jí)緩存以后讀取速度依次降低。為什么呢？雖然都是采用的SRAM存儲(chǔ)器，但是數(shù)據(jù)檢索需要時(shí)間，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大的三級(jí)緩存找的時(shí)間就比數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量小的一級(jí)緩存找的時(shí)間久。如果把內(nèi)存比作圖書館的書架，那么緩存就像是CPU面前的一張桌子。給你地址讓你去找CPU想要的數(shù)據(jù)，如果你是在書架上找，你可以很清楚這個(gè)數(shù)據(jù)放在哪一行哪一列，如果恰好你運(yùn)動(dòng)速度是光速的話，那么你總能在一個(gè)確定的時(shí)間內(nèi)拿到CPU想要的數(shù)據(jù)?？墒蔷彺婢筒灰粯恿耍瑫驮谀忝媲?，還亂糟糟的，你需要翻閱查看地址是否對(duì)應(yīng)上了。因此桌子越大，你找得也就越慢。

就沒有別的辦法了嗎？當(dāng)然有。桌子亂可以整理整理嘛。比如規(guī)定一下，第一書架的書只能放在桌子上的A區(qū)，第二書架放B區(qū)……以此類推。這樣一來，找的人便會(huì)方便很多，放的人也沒有什么困難。

舉個(gè)例子，假設(shè)內(nèi)存可以被劃分成四個(gè)緩存塊（即內(nèi)存大小是緩存大小的四倍），記為00，01，10，11四塊。每個(gè)緩存塊又可以劃分成四個(gè)緩存行，記為00，01，10，11四行。結(jié)合起來，最上面緩存塊的最上面的緩存行就可以寫成0000，則這個(gè)部分的數(shù)據(jù)應(yīng)該存在于緩存中的第一個(gè)緩存行的位置即00位置。如果1000號(hào)緩存行需要寫入，那么就要把0000號(hào)緩存行擦除再寫入，不能存儲(chǔ)在緩存中別的地方即使還有空間存放。


審核編輯：劉清