CPU中的核与进程，线程间的关系讲解（操作系统基础概念）

CPU中的内核

概念

CPU内核（Die）是CPU中间的核心芯片，由单晶硅制成，用来完成所有的计算、接受/存储命令、处理数据等，是数字处理核心。

各种CPU核心都具有固定的逻辑结果，一级缓存，二级缓存、执行单元、指令级单元和总线接口等逻辑单元都会有科学的布局。

单核和多核的区别

通俗意义上讲，CPU单核就是一个人做同一件事，多核就是多个人同时做同一件事情。

我们知道线程是CPU调度的基本单位，对于单核CPU来说，同一时刻下，只能有一个线程在占用CPU资源进行执行。多个线程之间的切换依靠CPU的调度算法来进行调度。这种多线程间的执行叫做并发执行。

而对于多核CPU来说，每个核心都存在相同的L1、L2、L3缓存结构，相当于每个核心都可以做之前单核下的事情。因此，在同一时刻下，多核CPU就可以同时运行多个线程（同时运行的线程个数取决于CPU核心数），这种多线程间的执行就不是并发了，而是真正的并行执行了。当然，单个核心下执行的线程切换仍然是并发执行的。

CPU多核缓存结构示意图如下所示：

由以上特性可知，单核和多核处理器在性能方面的特点如下：

1. 与具有更高时钟频率的多核处理器相比，单核处理器的速度更低
2. 与单核处理器相比，多核处理器具有更高的效率和更低的能耗
3. 多核共享内存，而单核则完全独立使用内存
4. 多核允许线程并行执行，启用指令级并行。

进程和线程的区别与联系

进程是操作系统中资源分配的基本单位。进程是操作系统对正在运行程序的一种抽象，可以将进程看作程序的一次运行。

线程：线程是操作系统中CPU调度执行的基本单位。一个线程是一个“执行流”，每个线程之间都可以按照顺序执行自己的代码，多个线程“同时”执行多份代码。

---

进程的运行不仅仅需要CPU，还需要很多其他资源，如内存啊，显卡啊，GPS啊，磁盘啊等等，统称为程序的执行环境，也就是程序上下文。

在这里就出现了并发的概念，调度器切换CPU给不同进程使用的速度非常快，于是在使用者看来程序是在同时运行，这就是并发，而实际上CPU在同一时刻只在运行一个进程。

CPU进程无法同时刻共享，但是出现一定要共享CPU的需求呢？此时线程的概念就出现了。线程被包含在进程当中，进程的不同线程间共享CPU和程序上下文。（共享进程分配到的资源）

单CPU进行进程调度的时候，需要读取上下文+执行程序+保存上下文，即进程切换。

由于共享了程序执行环境，这个线程切换比进程切换开销少了很多。在这里依然是并发，唯一核心同时刻只能执行一个线程。也就是上面讲的CPU单核和多核的区别。

如果这个CPU是多核的话，那么进程中的不同线程可以使用不同核心，真正的并行出现了。

线程是CPU调度和分配的基本单位，一定要和 进程是操作系统进行资源分配（包括cpu、内存、磁盘IO等）的最小单位 区别清楚。有句话说CPU只能看到线程，可以这么理解，假设我是CPU，我闭着眼，操作系统调度器将一个进程分配给我之后，我拿到进程睁开眼，我看到的是什么？我看到的是进程中的很多线程，那么我现在能调度和分配的是什么？进程？不行，因为我看不到其他进程，何来调度分配，只能调度我看到的那些线程，如果我是4核的话，把线程ABCD分配到核心1234，其他的线程依然要等待分配，至于等待多久，如何分配，暂不在本文讨论范围。于是线程是CPU调度和分配的基本单位。

最后说一下操作系统内存管理模块这里做的事：在这之前，程序员需要为每个程序安排运行的空间，这里的空间指的是内存的物理地址，但是这么的问题就是，每个程序都要协商如何使用同一内存的不同空间，而且程序员还要关心底层内存分配问题。解决办法就是，提出进程的概念，每个进程用一样的虚拟地址空间，CPU上增加了MMU模块负责转换虚拟地址和物理地址，虚拟地址经过操作系统和MMU之后，虚拟地址会映射到不同的物理地址，不同的进程就能获得各自独立的物理内存空间。

另外在有的操作系统里，进程不是调度单位，线程是最基本的调度单位，调度器只调度线程，不调度进程，如VxWorks。

总结：

资源空间： 进程是资源分配的基本单位，每个进程都会有独立的资源空间。而一个进程中包含多个线程，这些线程共享进程所分配的资源。

地址空间： 同一进程的线程共享本进程的地址空间，而进程之间则是独立的地址空间。

健壮性： 一个进程崩溃后，在保护模式下不会对其他进程产生影响，但是一个线程崩溃整个进程都死掉。所以多进程要比多线程健壮。

资源消耗： 进程切换时，消耗的资源大，效率高。所以涉及到频繁的切换时，使用线程要好于进程。同样如果要求同时进行并且又要共享某些变量的并发操作，只能用线程不能用进程

执行过程： 每个独立的进程有一个程序运行的入口、顺序执行序列和程序入口。但是线程不能独立执行，必须依存在应用程序中，由应用程序提供多个线程执行控制。

调度单位： 进程是系统进行资源分配和调度的基本单位，线程是CPU调度的基本单位。