【计算机】CPU工作方式、多核心、超线程技术详解

CPU架构

要谈超线程和多核，就不得不谈CPU的架构和逻辑。无关的技术细节太多，这里略去。我们重点谈一下CPU中两个相关的模块：
1）Processing Unit（运算处理单元），简称PU
2）Architectual State（架构状态单元），简称AS
PU一般就是执行运算，比如算数运算加减乘除。AS执行一些逻辑和调度方面的操作，比如控制内存访问等。

单核CPU（先从简单的谈起）
一般一块传统意义的CPU上会有一个PU、一个AS。

比喻：一个小饭馆（单核CPU），夫妻老婆店，老板兼大厨厨房炒菜，老板娘兼服务员点单。这不，来了一个客人，首先，走到老板娘的收银台前，看菜单准备点单。差不多5分钟后，客人点完了一份盖浇饭。老板娘抄好了单，递给了在后厨的老公。老公开始炒菜。在这个例子中，老板娘可以理解成AS，老板/大厨可以理解称PU（干实事的）。

多核CPU
这里说的多核，是多个物理核，比如i3的双核，i5的4核。这中架构下，每一个物理核都有一个PU和一个AS。所以。对于i3来说，就有总共两个PU，两个AS。对于i5来说，就有总过4个PU，4个AS。

比喻：上面小饭馆的列子，对于5、6个客人可能还能忙的过来。但设想一下子来他个16个客人，这队估计要排到街上了。如果再告诉你，每10分种就有16个新客人过来点单。。。完了。生意估计是做不下去了 - 老板、老板娘忙到死。
这时，我们就需要一个更大的单位食堂（多核CPU

）。有4个服务生、4个大厨。4个服务生同时点单，4个大厨同时开炒（1号服务生专给一号大厨下单，二号服务神生专给二号大厨下单。。。以此类推）。这样相比小饭馆一个老板娘、一个客人队列，这里成了4个队列，效率顿时比小饭馆提高4倍。16个客人，平均分配成4个队列，每个队列就只有4个客人了，情况是不是好了很多？

这个应该还是比较容易理解的。

超线程技术(HT)

超线程一般指的是硬件架构方面的：通过增加逻辑处理器5%的裸晶面积，模拟出两个AS ，以此换来cpu15%~30%的性能提升。
简单的说吧，在原来一个core包含一个AS和PU的基础上多模拟出一个AS

比喻：刚刚那个单位食堂，4个服务生，4个大厨，4个队列。会不会效率问题？
有！
设想每个客人都有看单选单的时候，你能保证每个客人都看两眼就下单？有的客人难免会磨磨蹭蹭，问东问西，一个菜点它个15分钟。而设想大厨平均炒一个菜只要10分种。那剩下的那5分钟呢？大厨在厨房闲着没事干，喝茶看报纸。时间全被客人-服务生点菜这个环节给浪费掉了。

那有没有解决方法？我想大家应该都能猜出来了
--- 增加服务生！

这时候，我们给每个大厨多增加一个服务生，从一个服务生变成了两个服务生（AS），服务生1A和服务生1B开两个队列，同时给一个大厨（PU）下单。这样，当出现服务生1A的客人15分钟单子都没有下完的情况下，1B的客人单子很有可能3分钟下好送给大厨开炒了（PU），这样大厨就不会站在厨房傻等1A客人的订单。这样，最大限度地榨干大厨的劳动力 （大厨估计要骂娘了），而对于CPU来说，最大限度的提高了CPU的使用率，减少了CPU的（IDLE）空闲时间。有的时候，真不能怪大厨（PU）不卖力，而是你服务生（AS）叫单太墨迹。

在下图中，橙色和蓝色表明大厨（PU/CPU）是在工作的，白色格子表明大厨（PU）是空闲的。A图是单核没有没有用超线程，B图双核没有超线程，图C是单核启用了超线程。可以清晰地看到，从单核增加到双核（在没有超线程的情况下），CPU使用率并没有增加。而用了超线程后，整体CPU使用率提高了，虽然只是一个核。

左边的图是单核超线程

，右边的图是双核，不带超线程。看出区别了吧？

现在来看实际中多核和超线程的相关问题：
1）i3 双核4线程，和i5 4核4线程，是一回事吗？
首先先说一下i3，i3是双核，开了HT以后，变成4个逻辑核（4线程）。最新的Win10我不知道，但在Win7里面逻辑核是被显示成物理核的，和i5一样。那i3和i5一回事吗？如果你觉得是一回事，那我上面的东东全都是白写了。
i3是4个服务生两个厨子，i5是4个服务生4个厨子，你觉得一样吗？？？？

2）那i5 4核4线程，相比较开了HT的i7（4核8线程）一样吗？
i5是4个服务生4个厨子。i7如果开了HT，是8个服务生4个厨子。当然从CPU利用率尤其是运行多进程/线程程序上面来看，是开了HT的i7好。

3）那i5 4核4线程，相比较关了HT的i7（4核4线程）一样吗？
i5是4个服务生4个厨子。i7如果关了HT，也是4个服务生4个厨子。乍一看差不多，至少在大厨（PU）、服务生（AS）的数量上打成平手。但是i7的单核处理能力要稍强于i5，也就是说i7的厨子是特级厨子，i5的厨子的一级厨子。所以其实i5和i7还是有差距，但是从理论上来说，差距并不是特别大。

总结：理论上来说，i3和i5的差距是相当的大。而i5和i7差距主要是厨子（PU）质量的好坏和多出的那4个服务生。其实差距并不是像i5-i3之间的差距那么大。

4）那对与同一个CPU，比如i7，开了HT有什么优点：
- 并行能力增强：处理多进程/线程的能力加强，对于支持多线程的游戏提供比较明显。
- CPU利用率增高：一般理论上，总体性能提高差不多20%-30%。从这个角度上看，i3开启了超线程，提高了20%-30%整体水平。但是，这就意味着能和i5打成平手了？？？ 如果这是真的话，i5也不要卖了。两个大厨(i3)，不是我等拿个鞭子抽抽就能顶的上4个大厨(i5)的。。。。

5） 开HT有什么缺点
- 单核性能下降：
一般在5%-15%之间，主要表现在运行单线程程序。两个AS的额外开销比一个AS的开销要大
比喻：只有一个客人来点餐，指定一号大厨，但你两个服务生站在那儿，而这个客人可能就会过一下脑子，想想，我是找服务生1A呢，还是服务生1B呢？？ 这么一想，半分钟过去了。。。是不是还不如只有一个服务生来的简单。
所以现实中我们超算系统测试跑分的时候一般都是要HT关掉的，因为追求极限性能。现在最新的CPU可以做到5%-15%的性能损耗，而老的超线程CPU，比如10几年前的老奔腾4/志强，我见过单核性能超过50%的性能损耗的，启动HT的额外开销极大。

- 电费增加，一般功耗平均上升30%。你多请的4个服务生，不用给工钱？？？

- 在核特别多的情况下，比如双槽服务器

的情况下，容易发生拥塞。
比喻：试想一个超大的食堂，有56个服务员（双CPU，28核，56线程至强E5系列CPU），来了几百个人过来，是不是会乱了套？大家刚进食堂一开始都不知道该排哪个队了（一般决定排哪个队，是操作系统定下的）。（在操作系统的安排下）一个客人，把56个队列一条一条地查一遍，看看哪条队客人最少就排哪条。。。。
我想问的是，现实中你去食堂打饭，假设有56个队，你会一条一条的检查，找出人最少的队，然后再做决定吗？估计你56条队查完，15分钟过去了，你的小伙伴饭都吃完了。这时候，是不是我将队伍减少到28个队，对你来说会相对容易一些？（当然28队也还还是够累的）

- 老系统支持的差
比如老的Win2008，Win2000，对超线程支持比较差。
比喻：如果食堂比较空，没人。这时候来了两个客人A和B来订餐，结果两个人分别跑到同一个大厨的两个服务生1A和1B上排队（一般这都是操作系统干的好事），你能发现哪儿不对劲吗？
正确的做法应该是A去一号大厨（1号物理核），B去二号大厨（2号物理核）。你让A，B都挤到一号大厨那里，二号、三号、四号大厨啥事没有，闲到死，有意义吗？
其实问题就在于，操作系统不能分辨物理核和逻辑核。看那里有两个服务生，两个队列，就以为有两个大厨，所以把客人A和B分别打发到1A和1B去排队，完全不知道后厨的实际情况 - 究竟有几个大厨。