单CPU单核中线程和工作原理是怎样的？

单个CPU中的进程只能是并行的，而多CPU计算机中的进程可以是并行的。单个CPU和单个内核中的线程只能是并发的，单个CPU和多个内核中的线程可以是并行的。无论是并发还是并行，用户都可以看到多个进程和多个线程。

内容

cpu的架构和工作原理

计算机具有5个基本组件，算术单元，控制器，存储器，输入和输出。算术单元和控制器封装在一起，寄存器组和cpu内部总线构成中央处理器（CPU）。 cpu的基本任务是执行指令。对于计算机，它是由0和1组成的序列。cpu在逻辑上可以分为三个模块：控制单元，算术单元和存储单元。这三个部分通过cpu总线连接。

CPU的工作原理是：在定时脉冲的作用下，控制单元将指令计数器指向的指令地址（该地址在存储器中）发送到地址总线，然后CPU发送该地址中的指令读取指令寄存器以进行解码。对于执行指令过程中所需的数据，数据地址也被发送到地址总线，然后CPU将数据读取到CPU的内部存储单元（即内部寄存器）以进行临时存储，并且最后命令算术单元对数据进行处理。反复地，它是这样进行的。

多核cpu和多cpu架构

在具有多个物理CPU的情况下，CPU通过总线进行通信，效率相对较低。

多核CPU，不同的内核通过L2缓存进行通信，存储和设备通过总线与CPU进行通信

cpu缓存

CPU高速缓存是CPU与内存之间的临时数据交换。它的容量比内存小得多，但是交换速度比内存快得多。通常，CPU缓存直接与CPU芯片集成在一起，或者位于通过主板总线互连的独立芯片上。

随着多核CPU的发展，CPU缓存通常分为三个级别：L1，L2和L3。级别越小，离CPU越近，因此速度越快，这也意味着容量越小。 L1最接近CPU。它具有最小的容量（例如：32K）和最快的速度。每个内核都有一个L1缓存。每个内核上实际上有两个L1缓存，一个L1d用于存储数据。高速缓存（数据高速缓存），一种用于存储指令的L1i高速缓存（指令高速缓存）。 L2高速缓存较大（例如：256K），速度较慢。通常，每个内核上都有一个独立的L2高速缓存。 L3缓存是第三级缓存中最大的级别（例如3MB），也是最高的。在较慢的级别中，同一CPU插槽中的内核共享一个L3缓存。

读取数据的过程。就像高速缓存一样，首先在最快的高速缓存中查找数据，如果高速缓存未命中（Cache miss），则转到下一级，直到找不到第三级高速缓存，然后从内存中请求数据。一次又一次地丢失意味着获取数据花费的时间更长。

计算过程。程序和数据被加载到主存储器中；指令和数据被加载到CPU的高速中； CPU执行指令并将结果写入高速缓存；缓存中的数据被写回到主存储器中

进程和线程

过程

过程是程序的一次执行，是一个动态的概念，是在程序执行过程中分配和管理资源的基本单位。

线程

线程是CPU调度和分配的基本单元。它可以与属于同一进程的其他线程共享该进程拥有的所有资源。

线程是进程的一部分。一个线程只能属于一个进程，一个进程可以有多个线程，但是至少有一个线程。

根本区别：进程是操作系统资源分配的基本单位，而线程是任务调度和执行的基本单位

在开销方面：每个进程都有独立的代码和数据空间（程序上下文），在程序之间切换会产生很大的开销；线程共享代码和数据空间，并且每个线程都有自己独立的运行堆栈和程序计数器（PC），线程之间切换的开销很小。

环境：在操作系统中，可以同时运行多个进程（程序）；它们可以同时运行。并且在同一个进程（程序）中，有多个线程在同一时间执行（通过CPU调度，每个时间片中只有一个线程）执行）

内存分配：当系统运行时，每个进程将分配不同的内存空间；对于线程，除了CPU外，系统不会为该线程分配内存（该线程使用的资源来自它所属的进程）资源），只能程组之间共享资源。

包含关系：没有线程的进程可以视为单个线程。如果一个进程中有多个线程，则执行过程不是一行，而是多个行（线程）一起完成。线程是进程的一部分，因此该线程也称为轻量级进程。

多核cpu和多cpu中进程与线程之间的运行关系

操作系统将在一段时间内将CPU分成多个运行片，然后依次将它们分配给不同的程序。对于多个CPU，可以在多个CPU中并行计算多个进程，当然，将进行进程切换。对于单个CPU，多个进程在该单个CPU中同时运行，读取上下文+执行程序+根据时间片Context保存。同一进程只能同时在一个CPU上运行。如果进程数少于cpus数，则未使用的cpu将处于空闲状态。

多线程有两个主要概念：一个是用户模式多线程；另一个是用户模式多线程。另一个是内核模式多线程。对于内核模式多线程（在使用java 1. 2之后，使用内核级线程），在它支持的操作系统内核中，它可以在多个内核下并行运行；

对于多核CPU，进程中的多个线程并行执行。对于单核cpu，多个线程在单个cpu中同时执行，并且根据时间片切换线程。同一线程只能同时在一个cpu内核中运行。如果线程数少于cpu核心数，则将有空闲的冗余核心。

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