1 cpu架构和工作原理

计算机有5大基本组成部分，运算器，控制器，存储器，输入和输出。运算器和控制器封装到一起，加上寄存器组和cpu内部总线构成中央处理器（CPU）。cpu的根本任务，就是执行指令，对计算机来说，都是0，1组成的序列，cpu从逻辑上可以划分为3个模块：控制单元、运算单元和存储单元。这三个部分由cpu总线连接起来。

CPU的运行原理就是：控制单元在时序脉冲的作用下，将指令计数器里所指向的指令地址(这个地址是在内存里的)送到地址总线上去，然后CPU将这个地址里的指令读到指令寄存器进行译码。对于执行指令过程中所需要用到的数据，会将数据地址也送到地址总线，然后CPU把数据读到CPU的内部存储单元(就是内部寄存器)暂存起来，最后命令运算单元对数据进行处理加工。周而复始，一直这样执行下去。

2 多核cpu和多cpu架构

多个物理CPU，CPU通过总线进行通信，效率比较低。

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

cpu的缓存
CPU缓存是位于CPU与内存之间的临时数据交换器，它的容量比内存小的多但是交换速度却比内存要快得多。CPU缓存一般直接跟CPU芯片集成或位于主板总线互连的独立芯片上。

随着多核CPU的发展，CPU缓存通常分成了三个级别：L1，L2，L3。级别越小越接近CPU，所以速度也更快，同时也代表着容量越小。L1 是最接近CPU的, 它容量最小（例如：32K），速度最快，每个核上都有一个 L1 缓存，L1 缓存每个核上其实有两个 L1 缓存, 一个用于存数据的 L1d Cache（Data Cache），一个用于存指令的 L1i Cache（Instruction Cache）。L2 缓存 更大一些（例如：256K），速度要慢一些, 一般情况下每个核上都有一个独立的L2 缓存; L3 缓存是三级缓存中最大的一级（例如3MB），同时也是最慢的一级, 在同一个CPU插槽之间的核共享一个 L3 缓存。

读取数据过程。就像数据库缓存一样，首先在最快的缓存中找数据，如果缓存没有命中(Cache miss) 则往下一级找, 直到三级缓存都找不到时，向内存要数据。一次次地未命中，代表取数据消耗的时间越长。

计算过程。程序以及数据被加载到主内存；指令和数据被加载到CPU的高速缓；CPU执行指令，把结果写到高速缓存；高速缓存中的数据写回主内存

3 进程和线程

进程是资源分配的最小单位，一个程序有至少一个进程。线程是程序执行的最小单位。一个进程有至少一个线程。
进程有自己的独立地址空间，每启动一个进程，系统就会为它分配地址空间，建立数据表来维护代码段、堆栈段和数据段，这种操作非常昂贵。而线程是共享进程中的数据的，使用相同的地址空间，因此CPU切换一个线程的花费远比进程要小很多，同时创建一个线程的开销也比进程要小很多。
线程之间的通信更方便，同一进程下的线程共享全局变量、静态变量等数据，而进程之间的通信需要以通信的方式（IPC)进行。不过如何处理好同步与互斥是编写多线程程序的难点。
多进程程序更健壮，多线程程序只要有一个线程死掉，整个进程也死掉了，而一个进程死掉并不会对另外一个进程造成影响，因为进程有自己独立的地址空间。
进程和线程在多核cpu，多cpu中的运行关系

4 多核、多CPU与多线程、多进程的对应关系

多cpu的运行，对应进程的运行状态；多核cpu的运行，对应线程的运行状态。

操作系统会拆分CPU为一段段时间的运行片，轮流分配给不同的程序。对于多cpu，多个进程可以并行在多个cpu中计算，当然也会存在进程切换；对于单cpu，多个进程在这个单cpu中是并发运行，根据时间片读取上下文+执行程序+保存上下文。同一个进程同一时间段只能在一个cpu中运行，如果进程数小于cpu数，那么未使用的cpu将会空闲。

进程有自己的独立地址空间，每启动一个进程，系统就会为它分配地址空间，建立数据表来维护代码段、堆栈段和数据段，这种操作非常昂贵。而线程是共享进程中的数据的，使用相同的地址空间，因此CPU切换一个线程的花费远比进程要小很多，同时创建一个线程的开销也比进程要小很多。
对于多核cpu，进程中的多线程并行执行，执行过程中存在线程切换，线程切换开销较小。对于单核cpu，多线程在单cpu中并发执行，根据时间片切换线程。同一个线程同一时间段只能在一个cpu内核中运行，如果线程数小于cpu内核数，那么将有多余的内核空闲。

5 总结

1. 单CPU中进程只能是并发，多CPU计算机中进程可以并行。

2. 单CPU单核中线程只能并发，单CPU多核中线程可以并行。

3. 无论是并发还是并行，使用者来看，看到的是多进程，多线程。

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