多核與多線程技術(shù)的區(qū)別

毫無疑問的，“多核”、“多線程”此二詞已快成為當(dāng)今處理器架構(gòu)設(shè)計(jì)中的兩大顯學(xué)，如同歷史戰(zhàn)國時(shí)代以“儒”、“墨”兩大派的顯學(xué)，只不過當(dāng)年兩大治世思想學(xué)派是爭得你死我亡，而多核、多線程則是相互兼容并蓄，今日幾乎任何處理器都朝同時(shí)具有多核多線程的路線發(fā)展邁進(jìn)。
　　雖然兩詞到處可見，但可有人知此二者的實(shí)際差異？在執(zhí)行設(shè)計(jì)時(shí)又是以何者為重？到底是該多核優(yōu)先還是多線程提前？關(guān)于此似乎大家都想進(jìn)一步了解，本文以下試圖對(duì)此進(jìn)行個(gè)中差異的解說，并盡可能在不涉及實(shí)際復(fù)雜細(xì)節(jié)的情形下，讓各位對(duì)兩者的機(jī)制觀念與差別性有所理解。
　　行程早于線程
　　若依據(jù)信息技術(shù)的發(fā)展歷程，在軟件程序執(zhí)行時(shí)的再細(xì)分、再切割的小型化單位上，先是有行程（Process），之后才有線程（Thread），線程的單位比行程更小，一個(gè)行程內(nèi)可以有多個(gè)線程，在一個(gè)行程下的各線程，都是共享同一個(gè)行程所建立的內(nèi)存尋址資源及內(nèi)存管理機(jī)制，包括執(zhí)行權(quán)階、內(nèi)存空間、堆棧位置等，除此之外各個(gè)線程自身僅擁有少許因?yàn)閳?zhí)行之需的變量自屬性，其余都依據(jù)與遵行行程所設(shè)立的規(guī)定。
　　相對(duì)的，程序與程序之間所用的就是不同的內(nèi)存設(shè)定，包括分頁、分段等起始地址的不同，執(zhí)行權(quán)階的不同，堆棧深度的不同等，一顆處理器若執(zhí)行了A行程后要改去執(zhí)行B行程，對(duì)此必須進(jìn)行內(nèi)存管理組態(tài)的搬遷、變更，而這個(gè)搬遷若是在處理器內(nèi)還好，若是在高速緩存甚至是系統(tǒng)主存儲(chǔ)器時(shí)，此種切換、轉(zhuǎn)移程序?qū)?zhí)行效能的損傷就非常大，因?yàn)橥瓿砂徇w、切換程序的相同時(shí)間，處理器早就可以執(zhí)行數(shù)十到上千個(gè)指令。
　　兩種路線的加速思維
　　所以，想避免此種切換的效率損耗，可以從兩種角度去思考，第一種思考就是擴(kuò)大到整體運(yùn)算系統(tǒng)的層面來解決，在一部計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)計(jì)、配置更多顆的處理器，然后由同一個(gè)操作系統(tǒng)同時(shí)掌控及管理多顆處理器，并將要執(zhí)行的程序的各個(gè)程序，一個(gè)程序喂（也稱：發(fā)派）給一顆處理器去執(zhí)行，如此多顆同時(shí)執(zhí)行，每顆處理器執(zhí)行一個(gè)程序，如此就可以加快整體的執(zhí)行效率。
　　當(dāng)然！這種加速方式必須有一個(gè)先決條件，即是操作系統(tǒng)在編譯時(shí)就必須能管控、發(fā)揮及運(yùn)用多行程技術(shù)，倘若以單行程的系統(tǒng)組態(tài)來編譯，那么操作系統(tǒng)就無法管控服務(wù)器內(nèi)一顆以上的處理器，如此就不用去談?wù)撚刹僮飨到y(tǒng)負(fù)責(zé)讓應(yīng)用程序的程序進(jìn)行同時(shí)的多顆同時(shí)性的執(zhí)行派送。
　　即便操作系統(tǒng)支持多程序，而應(yīng)用程序若依舊只支持單程序，那情形一樣是白搭，操作系統(tǒng)無法對(duì)單行程程序再行拆分，依然是只喂入單一顆處理器上去執(zhí)行，無從加速。
　　同時(shí)用多顆處理器來執(zhí)行，且每顆處理器執(zhí)行一個(gè)行程，這是一種加速法，另一種加速法則是：盡量不進(jìn)行內(nèi)存管理組態(tài)的切換，避免切換的效能折損，線程正是在此概念下所出現(xiàn)的產(chǎn)物。
　　不過，線程也要程序的搭配才能發(fā)揮，線程的概念出現(xiàn)與落實(shí)已是“C++看消、Java看長”的階段，所以C++只能通過API呼用的方式來支持與使用多線程，如此必須改寫過往的程序才行，改寫成有呼用到支持多線程的API才行。相對(duì)的，較C++晚問世的Java則是原生支持多線程，不用改寫也能發(fā)揮及運(yùn)用多線程的特性及其加速效益。
　　有了線程后，執(zhí)行的分割、切割更加細(xì)膩，線程機(jī)制不僅在多顆處理器的系統(tǒng)內(nèi)可以加速，在單顆處理器內(nèi)也一樣能獲得好處，在多顆處理器的系統(tǒng)上每顆處理器不僅可以單獨(dú)執(zhí)行一個(gè)程序，當(dāng)然也可以單獨(dú)執(zhí)行一個(gè)線程，而在單處理器系統(tǒng)上因?yàn)槭∪?nèi)存管理組態(tài)的搬遷，所以一樣可以加速，很明顯的，線程使執(zhí)行的發(fā)派、分配更加細(xì)膩與靈活化。
　　線程的副作用
　　線程雖有好用的優(yōu)點(diǎn)，不過它也有副作用的缺點(diǎn)，且此一優(yōu)缺是一體兩面無從分割，缺點(diǎn)是各個(gè)線程共享同一組內(nèi)存管理組態(tài)及機(jī)制，倘若有一個(gè)線程的執(zhí)行發(fā)生錯(cuò)誤、瑕疵、或遭入侵等，其余在同一個(gè)行程內(nèi)的每個(gè)線程也都會(huì)遭受影響、波及，最嚴(yán)重是同一個(gè)行程內(nèi)的一切都錯(cuò)亂、毀壞，由此可知：線程其實(shí)是帶有若干安全性犧牲的加速法。
　　此外有人會(huì)誤會(huì)，就字面上而言，多核表示同時(shí)間有多顆處理器在執(zhí)行，每顆處理器可以執(zhí)行一個(gè)行程或一個(gè)線程，但是一顆具有多線程能力的處理器并不表示它可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)線程，事實(shí)上在同一時(shí)間內(nèi)一顆具多線程功效的處理器也依然是執(zhí)行一個(gè)線程而已，只是多線程處理器的內(nèi)部可以將原有線程的相關(guān)信息及變量暫時(shí)擱擺，然后去執(zhí)行其它的線程，執(zhí)行完后在切換回原來執(zhí)行到一半的線程，甚至沒執(zhí)行完也可以切換回來，且整個(gè)切換過程都在處理器內(nèi)進(jìn)行，不用與快取與內(nèi)存進(jìn)行搬遷置換，如此以快速換線程執(zhí)行的方式來加速。
　　相對(duì)于此的，一顆不具多線程能力的處理器，執(zhí)行一個(gè)線程到一半若想改執(zhí)行另一個(gè)線程，就必須將原線程、現(xiàn)線程的相關(guān)內(nèi)容與信息搬遷到快取或內(nèi)存，然后自快取及內(nèi)存引入另一個(gè)線程，由于此一搬轉(zhuǎn)頗耗時(shí)，所以多半選擇將原有的線程執(zhí)行完再引入下一個(gè)線程，如此在時(shí)間上可能還比較經(jīng)濟(jì)。然而無論一線程完整執(zhí)行后再執(zhí)行下一個(gè)線程，還是進(jìn)行線程的進(jìn)出搬遷轉(zhuǎn)移，都不會(huì)比具備多線程能力的處理器來的快速有效。
　　至此我們可以歸納整理：
　　1.多核、多處理器系統(tǒng)中的每顆處理器（每個(gè)核），同時(shí)間內(nèi)可以執(zhí)行各自不同的行程（或線程）。
　　2.一顆多線程能力的處理器，無論是支持二線程、四線程、八線程，這些線程都必須是在同一個(gè)行程內(nèi)，所以一顆處理器（一個(gè)核）還是只能執(zhí)行一個(gè)行程，雙核處理器就能夠同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)不同的行程（或線程），四核就可以同時(shí)不同的四個(gè)行程（或線程）。
　　3.倘若是執(zhí)行不支持多線程的程序，其執(zhí)行上的分拆最多只到行程而未到線程，那么每顆處理器內(nèi)的多線程功效就無從發(fā)揮，而這類的程序歷史較長久，相對(duì)的原生支持多線程的程序歷史較短，不過信息技術(shù)的腳步向來進(jìn)展快速，兩種不同層次的支持僅差距數(shù)年時(shí)間。
　　產(chǎn)業(yè)實(shí)際發(fā)展可為證明
　　真的是多核優(yōu)于、先于多線程嗎？關(guān)于此可通過產(chǎn)業(yè)實(shí)際發(fā)展做為應(yīng)證，Sun的UltraSPARC T1處理器（研發(fā)代號(hào)：Niagara）是八核四線程的設(shè)計(jì)，但接續(xù)的UltraSPARC T2處理器（研發(fā)代號(hào)：Niagara 2）則是八核八線程的設(shè)計(jì)，所以是核多、核優(yōu)先，然后再來拉跋、提升線程的執(zhí)行。
　　同樣的，IBM為Microsoft Xbox 360所設(shè)計(jì)的Xenon處理器，是個(gè)三核二線程的設(shè)計(jì)，核數(shù)依然是高于線程數(shù)，又如IBM、Sony、Toshiba三家業(yè)者合研的Cell處理器，現(xiàn)有第一代的Cell（研發(fā)代號(hào)：DD1）是九核，組態(tài)上是八核媒體（SPE）、一核泛用（PPE），新一代的Cell（研發(fā)代號(hào)：DD2）也針對(duì)PPE的部分進(jìn)行雙線程發(fā)展，如此再次表示核比線程重要，當(dāng)Cell僅進(jìn)行增一線程的擴(kuò)展改進(jìn)時(shí)，而非再增一核，即可知這僅是一次小幅的改進(jìn)。
　　“多核”、“多線程”之外　還有“多令”、“多機(jī)”
　　最后，且讓我們談?wù)勁c多核、多線程不同加速走向的“多令”，“多令”是筆者發(fā)明的詞，指的是比執(zhí)行行程（Process）、線程（Thread）更基底層次的執(zhí)行指令（Instruction），多核的作法是盡可能在同時(shí)間內(nèi)執(zhí)行多個(gè)行程，多令則是盡可能在同時(shí)間內(nèi)執(zhí)行多個(gè)指令，學(xué)術(shù)上的VLIW與產(chǎn)業(yè)上的EPIC皆是多令理念下的架構(gòu)。
　　到目前為止多令并非不可行，但僅行于數(shù)字信號(hào)、圖像等處理，繪圖芯片、媒體處理器等多實(shí)行VLIW架構(gòu)，然多令在泛用運(yùn)算上卻未見效益，至于科學(xué)研究之類的高效運(yùn)算也傾向使用更高層次的平行：多機(jī)（叢集、網(wǎng)格，執(zhí)行范疇與分配類同于線程、行程），看來多令、多程/線程、多機(jī)各有所用，端看運(yùn)用場合的適切性。
?