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物理 CPU vs 逻辑 CPU vs 核心 vs 线程 vs Socket

当我们试着通过 Linux 命令 nproc 和 lscpu 了解一台计算机 CPU 级的架构和性能时,我们总会发现无法正确地理解相应的结果,因为我们会被好几个术语搞混淆:物理 CPU、逻辑 CPU、虚拟 CPU、核心、线程和 Socket 等等。如果我们又增加了超线程(不同于多线程),我们就会开始不知道计算机里面到底有多少核心,我们搞不明白为什么像 htop 这样的命令会在我们认为买的是一台单核计算机上返回拥有 8 个 CPU 的结果。这样的情况一片混乱。

起源:单核CPU和超线程

在诸如多核、虚拟 CPU 和逻辑 CPU 这样的概念诞生前,在奔腾系列处理器的年代,大部分计算机在它们的主板上装备了一块不大不小的芯片,我们把它叫做微处理器、处理器或直接叫 CPU。只有很少数需要更强处理能力的企业能够负担得起同一块主板上安装 2 块以上的处理器的费用:这些就是多处理器系统。这些处理器与主板上其它元件的通信通过一个连接器或 Socket 来完成。那我们很容易能计算得到一块主板上有多少连接器或 Socket,那么这块主板上最多就能有相同数量的 CPU。如果你需要更多的计算能力,你只需要寻找一块能够支持更多处理器的主板即可。

但是后来 Intel 意识到多处理器系统里,处理器之间通过系统总线进行通信是非常低效的,因为总线传输速度较慢。这样就会经常发生的性能瓶颈,无法最大化利用 CPU 的计算能力。

为了改善这个处境于是诞生了超线程技术。超线程的大意是复制一些 CPU 单元到同一块芯片上,比如寄存器或者一级缓存,这样可以在两个执行线程里共享这些数据,而无需经由系统总线和避免因为访问速度导致的性能下降问题。超线程还带来另外一个好处是可以当一个进程在等待中断的时候,另一进程仍然可以使用同一个 CPU 进行执行而且无需停止。

这种方式可以加速多个被处理的进程,比传统的单个核心(未开启超线程)提供更高的整体性能。操作系统有点像被欺骗的意思,因为它被提供了两个虚拟 CPU或者逻辑 CPU 并且可以“同时”执行两个进程。但是要非常注意的是,它并不能带来两倍的处理能力,也不提供完全并行计算能力。

这样, 从 Linux 或者其他操作系统的视角来看,一个单核 CPU 计算机通过超线程技术呈现出双核 CPU 的效果,但两个逻辑 CPU 实际上在同一个物理 CPU 中执行。

复杂:多核架构的出现

正如我在前面部分所说的,尽管开启了超线程的 CPU 能够提供更强的计算能力,但并不能提供 2 倍的处理能力和 2 个独立的 CPU,所以我打算进一步缩小 CPU 元件的视角,并且把它们都安装到统一块芯片上。如此一来每个被压缩的处理器都叫做核心,并且允许使用同一块硅晶的内部共享总线进行更快的通信。从那一刻开始再也不需要较慢的系统总线了。

不同于超线程技术,我们现在拥有多个完全独立的 CPU 服务于任何任务,每个任务可以分配一个核心。确实,从性能的角度来看,拥有单个多核芯片要比同一个主板上拥有多个单核芯片提供更好的性能。当然,拥有一个双数核心要比单数核心更好。

在操作系统层,一个物理的四核处理器可以看做是四个 CPU。但这些可能是四个逻辑 CPU 或者非物理的 LCPU。如果处理器还提供了超线程支持,那么像htop 和 nproc 的命令会看到系统里有八个 CPU,但是可能在一个八核 CPU上看到少于八核的结果。

1LCPU = 1线程

最后我们通常发现支持四线程的处理器,每个核心两个线程这样,这仅仅表示同时可以执行任务的线程,并且与一个 LCPU 能够提供的处理能力等价。如果一个处理器每个核心能够支持两个线程说明它启用了超线程,否则正常来说线程数与核心数一致。

逻辑CPU vs 虚拟CPU

虚拟 CPU 这个术语通常会被与逻辑 CPU 进行比较,但是有一点细微的差别:虚拟CPU 更加被局限在计算虚拟化的领域里,它表示那些与从底层硬件(可以是物理CPU 也可以是逻辑 CPU、开启超线程与否)映射到虚拟机的处理器。一般情况下,宿主机上一个逻辑 CPU 映射到虚拟机里的一个虚拟 CPU,所以它们可以看做是相同含义的术语。

本文分享自微信公众号 - IT大咖说(itdakashuo),作者:linux内核

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原始发表时间:2019-08-31

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