多核、多线程的引入

引言：

对应着处理器从单核到多处理器及多核，操作系统的发展历程中，从进程演化到线程、多线程。于是，我们会想到这些问题：

1、为什么微处理要从单核转向多核?

功耗问题 限制了单核处理器不断提高性能的发展途径：

作为计算机核心，影响计算机性能高低的核心部件就是处理器。反映在指令上就是处理器执行指令的效率。
　　处理器性能 = 主频 x IPC
可以看出，衡量处理器性能的主要指标是每个时钟周期内可以执行的指令数(IPC)和处理器的主频。

因此，提高处理器性能就是两个途径：

提高主频和提高每个时钟周期内执行的指令数(IPC)。

1）处理器微架构的变化可以改变IPC，效率更高的微架构可以 提高IPC从而提高处理器的性能。但是，对于同一代的架构，改良架构来提高IPC的幅度是非常有限的，所以在单核处理器时代通过提高处理器的主频来提高性 能就成了唯一的手段。

2）然而，给处理器提高主频不是没有止境的，从下面的推导中可以看出，处理器的功耗和处理器内部的电流、电压的平方和主频成正比，而主频和电压成正比。
　　处理器功耗 正比于 电流 x 电压 x 电压 x 主频

主频 正比于 电压
　　处理器功耗 正比于 主频的三次方

3）如果通过提高主频来提高处理器的性能，就会使处理器的功耗以三次方 而非线性(一次方) 的速度急剧上升，很快就会触及frequency wall。过快的能耗上升，需要寻找提高处理器性能的因子，提高IPC。

　　提高IPC可以通过提高指令执行的并行度来实现，而提高并行度有两种途径：一是提高处理器微架构的并行度;二是采用多核架构。

　　在采用同样的微架构的情况下，为了达到处理器IPC的目的，我们可以采用多核的方法，同时有效地控制功耗的急剧上升。
　　处理器功耗 正比于 电流x 电压 x 电压 x 主频

IPC 正比于 电流
　　处理器功耗 正比于 IPC

　　由单核处理器增加到双核处理器，如果主频不变的话，IPC理论上可以提高一倍，功耗理论上也就最多提高一倍，因为功耗的增加是线性的。而实际情况是， 双核处理器性能达到单核处理器同等性能的时候，前者的主频可以更低，因此功耗的下降也是三次方下降 的。反映到产品中就是双核处理器的起跳主频可以比单核处理器更低，性能更好。

　　由此可见，将来处理器发展的趋势是：为了达到更高的性能，在采用相同微架构的情况下，可以增加处理器的内核数量同时维持较低的主频。这样设计的效果是，更多的并行提高IPC，较低的主频有效地控制了功耗的上升。

2、为什么提出线程？

其目的有二：

1）如上面所提到的，更好的支持SMP和多核：进程在SMP上可以同时使用多个cpu或者核执行各个线程，很好的支持并行。
2）减小上下文切换的开销：同一进程的线程共享资源、状态记录等；实现同类任务的内存块共享，对逻辑内存重用，而进程间只能实现对物理内存的分时共享。

3、线程模型

针对上述两大目的，相应的提出了两大线程模型 ：用户级线程和核心级线程；分类的标准在于线程的调度者在核内还是核外。
其中，核内的可以实现并发；核外的使得上下文切换开销更小。

1、核心以线程为单位，控制线程的分发调度；
2、单纯的用户线程的调度全部在核外实现，只需完成线程运行栈的切换，但由于核心信号都以进程为单位，无法定位到线程，因此不能用于多处理器系统。

于是，现在的大多操作系统不是采用单一的线程模型，而是将两个模型结合起来，譬如Solaris和Linux]都是采用这样的混合模型 ：

1、提供核心线程，高层包括基本抽象，如硬件状态和软件上下文，满足SMP；
2、支持线程库，一个核心线程成为多个用户线程的调度者，进而减小了上下文开销。每个用户线程可以独立于该进程的其他线程进行调度执行。

这个模型中，一个进程的某个线程（内核线程）由核内调度，而他又可以调度用户线程。其目的是保证内核负载最小的条件下，一个进程可以创建大量用户线程，为并发提供条件。