多核编程应用——硬件、进程、线程（一）

初步

• 为什么要了解计算机的内部结构？
  由于多线程的存在，更多的系统属性变得更加重要了起来，了解处理器的内部结构有利于理解这些影响

前提1：系统的计算性能由处理器和内存的性能决定
前提2：计算性能将决定计算机执行指令的速度快慢
前提3：辅助设备的性能比处理器和内存低得多
结论1：对于代码中性能重要的部分，要避免以来这些辅助设备

多核处理器

• 为什么使用多核处理器？

1. 提高串行处理器的性能日益困难
2. 采用增加硅片面积的方式，对串行处理器的性能的提升是有限的
3. 不增加硅片面积，使用这些面积放入一个新的核心，有可能能完成两倍的工作量

线程可指代硬件线程或者软件线程
软件线程：指令流
硬件线程：执行某个软件线程的硬件资源（多核处理器有多个硬件线程），一个硬件线程支撑一个软件线程

实现

缓存是芯片上保存最近使用的数据和指令的部分
核心是芯片上负责实行指令的部分
一个芯片由缓存、核心和其他部分构成

让芯片运行多线程最简单的方式

1. 是复制多个核心
   多个核心共享与系统其余部分的接口，意味着多个核心必须共享对系统的访问
2. 是单核心多线程
   即使用同一个核心运行多个线程的指令。这是，运行在同一个核心上的多个线程不得不共享核心上的资源。

多数处理器采取上述两种方式结合的形式
例如，使用两个核心，每个核心支持两个线程，则整个芯片支持4个线程

通常认为硬件线程是等同的，某个软件线程的性能不由设计上的某些固定不变的属性决定，而是由正在执行的其他线程决定

当两个线程在多核处理器上运行时，既可以在同一个核心运行，也可以在不同核心运行。
当在同一个核心上运行时，必须实现资源共享，其他情况下不必共享资源。
把线程调度到单处理器不同核心上所造成的性能差异微乎其微，因为这样子不需要和其他处理器共享信息。

流水线

流水线设计：
完成单条指令需要多个步骤，例如最简单的划分：

1. 提取
2. 解码
3. 执行
4. 完成

让核心的不同部分执行不同的步骤，使其在一个指令周期内可以同时执行多条指令，称之为流水线设计。

优点：增快执行速度
缺点：出错时难以纠正。例如错误分支预测。