CPU、内核、线程：计算机硬件与操作系统的核心概念解析

CPU、内核、线程：计算机硬件与操作系统的核心概念解析

在计算机领域，CPU、内核和线程是三个核心概念，它们之间有着密切的联系。本文将深入浅出地解释这些概念，并探讨它们在实际应用中的关系。

基本概念

• Name：表示物理CPU数
• NumberOfCores：表示CPU核心数
• NumberOfLogicalProcessors：表示CPU线程数

注释：在VM虚拟机中选择的核心数实际上代表线程数。

CPU

CPU是指看得见的芯片个数，也就是主板上插CPU的插槽个数。

核数 (CPU cores)

在每一个CPU上面，都可能有多个核（core），每一个核中都有独立的一套ALU（算术逻辑单元）、FPU（浮点运算单元）、Cache（高速缓存）组件。这个概念也被称之为物理核。总的CPU物理内核数计算公式为：

总的CPU物理内核数 = 物理CPU数 * 每颗CPU的内核数

线程数 (processor)

得益于现在的超线程技术，可以让一个物理核模拟出多个逻辑核。其作用是在处理多个计算任务时，可以让一个计算任务使用ALU的同时，另一个使用FPU，从而充分利用物理核的各个组件。总的逻辑CPU数计算公式为：

总的逻辑CPU数 = 物理CPU个数 * 每颗物理CPU的核数 * 超线程数

总的逻辑CPU数 = 总的CPU物理内核数 * 超线程数

几核几线程

我们常说的“核”指的是内核个数。例如，6核12线程的配置，基于上面的逻辑核公式可以推算出每个内核可以运行2个线程数量。

在任务管理器中，看到的是6个内核，但是逻辑处理器是12个，有多少个逻辑处理器，就可以开多少个线程。

线程数 = 逻辑处理器个数

• 一个物理CPU可以有1个或者多个物理内核
• 一个物理内核可以作为1个或者2个逻辑CPU

操作系统可以使用逻辑CPU来模拟真实CPU。在没有多核处理器的时候，一个物理CPU只能有一个物理内核。有了多核技术，一个物理CPU可以有多个物理内核，可以把一个CPU当作多个CPU使用，即逻辑CPU。没有开启超线程时，逻辑CPU的个数就是总的CPU物理内核数。开启超线程后，逻辑CPU的个数就是总的CPU物理内核数的两倍。

逻辑处理器

逻辑处理器指的就是支持超线程技术的处理器在一个单核心的CPU内，利用其中空闲的执行单元，模拟出另外一个核心，使整个CPU有两个逻辑核心，从而提高整个CPU的工作效率。

注意：因为逻辑处理器是通过在一枚处理器上整合两个逻辑处理器单元，使得具有这种技术的新型CPU，有能同时执行多个线程的能力，这就是我们所说的“超线程”。

单核多CPU与多核单CPU

一台计算机的处理器部分的架构可以分为两种：

• 单核多CPU：每一个CPU都需要有较为独立的电路支持，有自己的Cache，而他们之间通过板上的总线进行通信。在这种架构上，线程间的所有协作都要走总线，而共享的数据更是有可能要在好几个Cache里同时存在。这样的话，总线开销相比较而言是很大的。

• 多核单CPU：只需要一套芯片组，一套存储，多核之间通过芯片内部总线进行通信，共享使用内存。在这样的架构上，如果我们跑一个多线程的程序，那么线程间通信将比上一种情形更快。

多个CPU常见于分布式系统，用于普通消费级市场的不多，多用于cluster，云计算平台什么的。多CPU架构最大的瓶颈就是I/O，尤其是各个CPU之间的通讯，低成本的都用100M以太网做，稍微好一点的用1000M以太网，再好的就用光纤等等，但无论如何速度和通量都比不上主板的主线。所以多CPU适用于大计算量，对速度（时间）不（太）敏感的任务，比如一些工程建模，或者像SATI找外星人这种极端的，跑上几千年都不着急的。而且多CPU架构更简单清晰，可以用消费级产品简单做数量堆叠，成本上有优势。而多核单CPU则适合对通讯I/O速度要求较快的应用，（相同核数量下）成本上也高一些，好像只有在超级计算机里会用到以万为单位的核心数，普通消费级产品也就是到16核封顶了，因为成本控制的原因。

实现16个逻辑CPU的原理图

线程/进程/多核CPU

在Python中，可以使用以下代码获取当前系统的逻辑CPU个数：

from multiprocessing import cpu_count
print(cpu_count())
12

这里再区分一下进程、线程、多个CPU和单个多核CPU，多个多核CPU，这些概念区别。

• 左图：多个物理CPU，CPU通过总线进行通信，效率比较低。
• 右图：多核CPU，不同的核通过L2 cache进行通信，存储和外设通过总线与CPU通信

进程是程序的一次执行过程，是一个动态概念，是程序在执行过程中分配和管理资源的基本单位。

线程是CPU调度和分派的基本单位，它可与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源。

联系：线程是进程的一部分，一个线程只能属于一个进程，而一个进程可以有多个线程，但至少有一个线程。

根本区别：进程是操作系统资源分配的基本单位，而线程是任务调度和执行的基本单位。