講講線程、進(jìn)程和CPU中的超線程

我們先來回顧一下之前的內(nèi)容。CPU其實就是執(zhí)行指令的器件，指令從哪讀取要看PC寄存器，取得的指令需要翻譯成電路的控制信號，最后輸出一條指令的結(jié)果，這個結(jié)果可能會對下一條指令產(chǎn)生影響，也可能會對內(nèi)存或地址空間中的某個值產(chǎn)生影響。

今天我們來講講線程、進(jìn)程和CPU中的超線程。

我們通過不計其數(shù)的指令的組合，可以形成一個完整的線程。線程之間通過少量的必要的溝通組合形成一個進(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，音樂的播放是一個線程，用戶的操作界面是另外一個線程，兩個線程合起來構(gòu)成了音樂播放器。當(dāng)然，一個應(yīng)用程序（進(jìn)程）也可以只有一個線程。

早期的計算機(jī)不像現(xiàn)在如此發(fā)達(dá)，一般一臺計算機(jī)一段時間內(nèi)只運行一個線程，比如說計算導(dǎo)彈軌跡什么的，在計算完成后輸出結(jié)果，線程結(jié)束。然而時代在改變，在寫這段文字的時候，我的平板一邊打開著wps，一邊播放著音樂。這兩個進(jìn)程的運行是連續(xù)的、同時的。

為什么會連續(xù)、同時呢？

首先，當(dāng)今的CPU的核心數(shù)早已不是單核心，一個非超線程（一會會講）的核心可以運行一個線程，現(xiàn)在的八核CPU就可以同時運行八個線程。但是這樣夠嗎？我們現(xiàn)在的電腦同一時刻需要運行的線程可遠(yuǎn)不止八個。那看來光有核心數(shù)還不夠，我們還需要別的辦法。

第二個辦法便是分時間片。CPU運算速度極快，我們能不能讓CPU在這一些線程上反復(fù)橫跳，快速切換并輪流執(zhí)行這些個線程，營造出一種這些線程是同時進(jìn)行的錯覺。具體怎么操作呢？可以設(shè)置一個“鬧鐘”，當(dāng)?shù)褂嫊r結(jié)束的時候強(qiáng)行停止CPU當(dāng)前的線程（中斷），PC寄存器跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的地址，將當(dāng)前未處理完的線程的PC值、寄存器組數(shù)據(jù)等信息用一種數(shù)據(jù)類型保存到內(nèi)存中，CPU將根據(jù)操作系統(tǒng)給出的決定切換到接下來要運行的下一個線程。CPU此時要將接下來要運行的線程從內(nèi)存中讀取，恢復(fù)該線程到CPU內(nèi)核心中，就像它之前被切換出去時的樣子，然后開始執(zhí)行這個線程。（暫不細(xì)講）

第三個方法則是今天的主角－－超線程技術(shù)。這個技術(shù)我沒記錯的話是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。

具體怎么操作呢？首先我們先要考慮一下為什么一個核心只能同時運行一個線程。

1.只有一個PC寄存器，只能指示一個線程目前運行到哪了。

2.無法區(qū)分對寄存器組的操作。比如線程A要把第一個寄存器的值寫成0，B要讀出第一個寄存器的值，現(xiàn)在也就是0。但這個0是B想要的嗎？肯定不是。

3.還有一些涉及到線程的棧指針和頁表基地址的寄存器，也只能支撐一個線程的運行。

因此，超線程簡單來講就是把這些不能公用的資源加倍。而那些流水線上的操作邏輯電路、ALU單元等則可以不用復(fù)制。以此實現(xiàn)多個線程同時在一個CPU的核心中進(jìn)行處理。注意，不一定一個核心只能虛擬出兩個線程，IBM的某款CPU甚至一個核心虛擬出了八個線程。

那為什么性能會提升呢？共用了這么多資源，性能應(yīng)該會有所下降才對。是的，有些時候性能確實會下滑，尤其是某個線程需要很大計算量的時候，因為共用，可能會導(dǎo)致該線程運行速度減慢。那Intel是瞎吹他們的超線程技術(shù)嗎？并不是，往往CPU限制運行速度的不是計算而是讀寫。讀寫要做的就是等待數(shù)據(jù)的傳輸，這個過程CPU沒事可做，只能空等。但有了超線程就不一樣了，CPU可以在本該空等的地方擇機(jī)執(zhí)行另外一個線程的指令，實現(xiàn)了時間管理，縮短了兩個程序執(zhí)行的總體時間。


審核編輯：劉清