一文了解：CPU核、多线程、多进程

在1945年，美国科学家冯诺依曼，提出了冯诺依曼计算机结构，计算机主要由运算器、控制器、存储器、输入输出设备组成。这一理论一直延续至今，并且构成所有现代电子计算机的模板。简单的将这些术语翻译成我们日常听到的就是：

CPU
操作系统
硬盘
鼠标、键盘、显示器等

CPU这个中央大脑负责对传进来的数据进行复杂的逻辑判断和运算，当然不是所有的数据都需要经过CPU的，比如DMA（Direct Memory Access，直接存储器访问），可以协调不同硬件对数据的读写，不需要经过CPU计算。这样设计的理由主要是CPU这个老大哥算的非常快，而一般涉及到I/O(输入、输出)时，让CPU等待程序读好数据，就会浪费资源，这时候我们可以把IO操作交给DMA去做，然后让CPU负责其他的计算。其中最经典的两个例子就是：

序列比对
网络爬虫

序列比对这种程序，一般涉及到的是大量的科学运算，和少量的文件读取；因此占有CPU的时间很长

网络爬虫，这个程序会不断的爬取网上的数据，然后将数据写进磁盘中；涉及到的计算量不是很大；

主要是对页面进行请求后，将数据写入磁盘中，I/O运算占据大量时间

CPU核心

CPU核的概念有有两个：物理核心、逻辑核心

物理核心

这个是CPU中集成了多少个核，是真实存在的，在linux中可以通过查看/proc/cpuinfo文件看到你的CPU有多少个核

processor       : 2
vendor_id       : GenuineIntel
cpu family      : 6
model           : 62
model name      : Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2630 v2 @ 2.60GHz
stepping        : 4
microcode       : 0x428
cpu MHz         : 2900.244
cache size      : 15360 KB
physical id     : 0
siblings        : 6
core id         : 2
cpu cores       : 6   ##CPU核心数目

逻辑核

通过使用超线程技术，将物理核虚拟成多个虚拟的处理单元，增加CPU处理多个任务的能力。例如我们在买电脑的时候，一般看i5、i7、i9；其实还可以根据CPU型号看一下它的核心数和运行频率等指标

进程与线程的关系

进程类似的就是两个程序的运行

这两个程序互相不会干扰；而线程就是进程中进行运算的基本单位。

例如当你打开电脑上的QQ和QQ音乐时，你就创建了两个进程；这时候这两个进程占据了CPU的两个核。当你的CPU是单核的时候，QQ音乐与QQ无法各自占据一个核，这时候操作系统就会想办法，让QQ占据一会核，让QQ音乐占据一会核，这就是所谓的进程调度。

当你CPU的核越多时候，电脑也就能同时远程的程序也就越多。

例如下面开启了四个进程A、B、C、D；右边的图是在单核的情况下，四个进程交替的占据CPU时间，实现并行的计算

线程相当于进程中基本运算单位

例如

打开QQ音乐的时候，一边播放歌曲、一边下载歌曲
QQ一边接受别人的消息，一边给其他人发送消息

其实它是在放一会歌，又跑去下载歌曲；下了一会又跑过来给你放歌，只是你感觉不出来。

下图是多个线程占据一个进程的示意图，同样在某一时刻，也仅仅只能有一个线程能够使用进程中的资源

总的来说进程的切换，是在CPU核水平，把CPU资源分配；线程的切换是在进程内，对资源进行切换

一个进程占据一个核，一个核执行多个进程时，涉及进程的切换

一个线程占据一个进程，一个进程内部多个线程时，涉及线程的切换

进程、线程状态的切换

就绪状态（ready）：等待被调度
运行状态（running）
阻塞状态（waiting）：等待资源

需要注意的是

只有就绪态和运行态可以相互转换，其它的都是单向转换。就绪状态的进程通过调度算法从而获得 CPU 时间，转为运行状态；而运行状态的进程，在分配给它的 CPU 时间片用完之后就会转为就绪状态，等待下一次调度。
阻塞状态是缺少需要的资源从而由运行状态转换而来，但是该资源不包括 CPU 时间，缺少 CPU 时间会从运行态转换为就绪态

高性能计算

窜行
多个任务，任务A完成后才开始任务B

并行，多个进程间切换
多个任务，任务A与任务B同时进行；A任务对应的进程和B任务占据的进程各占一个核
并发，多个线程间切换
单个任务A，任务A里面要干很多事情，但是一会干B事情，一会干C事情，两件事情在CPU中来来回回切换，让你感觉这些事情是同时在进行的

LSF集群资源申请

在大多数时候，软件参数内写的都是--threads，多少个线程的意思；而我们向系统申请资源的时候，申请的是核心数。因为一个核心其实是可以开多个threads的，只是当多个thread占据一个核心的时候，这个核心就要来来回回切换线程，这个核心进行的是并发运算；而核心数和线程数一样的话，进行的就是并行运算啦。

总的来说就是，当系统资源不多，并且涉及到的I/O操作比较多的时候；申请的核心数可以比线程数少；

而当程序主要是科学运算的话，尽量让申请的核心数和程序中线程数一致，因为线程间切换也会消耗一定的时间

Code Hub