对超线程几个不同角度的解释

角度1：举个栗子

假设我是一个CPU，我现在需要process(吃)一些食物，我现在只有一张嘴。

假如我有多张嘴，肯定就可以process更多的食物。这就是multi-core processor所要想要完成的任务。但是由于某些原因及限制，有时候无法实现这种方式。

我只有一张嘴，我可以用手抓一片食物，送到嘴边，然后在嘴busy的时候，抓起下一片食物，继续送到嘴边。如果出现这种情况：当我的嘴已经吃完那一片食物了，这个时候手还没有将食物送到嘴边，这时候我的嘴就处于空闲状态。假如我有两只手，即使我的嘴并不能吃得更快，但我的嘴也不需要浪费任何时间，可以一直处于busy的状态。这就是hype-threading(超线程)，一个processor，然后加上很智能的调度系统，使得processor可以一直处于busy的状态。

超线程对单线程的任务，也就是后面一部分任务必须依赖于前面一部分任务，并没有太大作用。

比如你要吃一个两勺冰淇淋锥，你必须先吃掉上面的部分，然后才能吃下面的部分。在这种情况下，增加更多的嘴或者手，都是没有什么意义的。

与之相反的，吃很多糖果。吃红色的糖和吃蓝色的糖之间，是没有任何先后关系的。如果现在我有多张手、多张嘴，肯定是可以更多吃完这糖果的。

在现实生活中，受益于超线程和多核处理器的常见任务有：

• 编辑视频
• 3D渲染
• 繁重的多线程任务

比如编辑视频，视频是一帧一帧的，完全可以在编辑这一帧的时候同时编辑另外一帧。

总结一下：超线程的目的，就是使得processor busy，充分利用CPU资源。所以，超线程并没有他名字听上去那么神奇，

角度2：超线程之于CPU的意义

首先需要理清楚CPU核core的关系：

上面这张图一图胜千言，CPU(processor)是一个物理上的小盒子，里面在物理上又分为多个core，每个core在功能上市独立的，可以独立运行自己的线程。不同的core之间共享一个3级缓存、共享common bus。相比多CPU单核，单CPU多核的优势在于不同的core之间可以共享一部分资源，之间通信也要相对容易很多；缺点在于复杂度提升，因为共享自然就会牵涉到不同线程之间的协调、管理、锁等问题。

超线程是intel开发的，已经有10多年的历史了，它可以在同一时刻，执行两个线程，从而提高了单个CPU core的效率。如下图所示：

来简略看一下CPU的发展阶段： 刚开始，一个CPU只有一个core，一个CPU只能同时运行一个线程：

接着，CPU设计师开始往一个CPU里面添加更多的core，现在一个CPU就可以同时运行多个线程了：

为了进一步提高CPU的性能，Intel又发明了超线程。超线程把一个物理的core，在逻辑上分成了两个虚拟核（two virtual cores）。现在，在操作系统的眼里，这个2核CPU实际上就是一个4核CPU了。

在操作系统眼里，现在CPU有4个核，她可以把工作分摊给这4个(虚拟的)核。每个core都可以独立地执行指令。 总结一下：超线程就是提高虚拟核的一种手段，减少了CPU处于空闲状态的时间。

角度3：超线程是如何实现的

我们还是从最开始、最简单的说起。

首先是单核CPU，树莓派使用的就是单核CPU，但是树莓派依然可以运行多任务的linux系统。为什么呢？实际上在底层，操作系统在不停地切换不同的任务，速度之快到让你觉得他们是真的同时运行的。

然后是多核CPU，如上所说的，不同的core之间在逻辑上是独立的，他们会共享一些资源。操作系统就可以给不同的core分发不同的任务，如果你要运行一个多线程的任务，你拥有的core越多，速度就会越快。

再然后就是超线程了。要在一个core上面实现两个线程，那么这个core该怎么设计呢？

把一个core的前半部分复制一下，然后合在一起，再和后半部分拼接一下，这种情况下，我们就有了一个可以同时执行两个线程的FRONTEND，或者以一个程序员更容易理解的角度来说，有了一个可以执行双线程的api接口，对于操作系统来说，他可以"调用"这个接口，同时分两个任务给这个core！这样不就在一个core的基础上实现了双线程吗？（当然，在最后，这两个线程最终是需要合并的。）

把这种core组合一下，就成了多核CPU，且每个CPU都支持超线程技术。

接着再来看一个现实生活中的栗子：地铁过安检。

排了有两个队，但是只有一个安检员。分三种情况讨论：

• 对面那队是空的，这种情况下我这一对可以很快通过。
• 对面那队阻塞了，这对我这一队没有影响，我们可以不受影响地通过。
• 两队都是正常的，这个时候在安检员那儿，就会产生竞争核堵塞。

把队伍换成前面说的两个FRONTEND接口，把安检员当作是core，每个接口都能独立得fetch指令，然后把指令传递给core。core在真正执行指令的时候，是会产生竞争的，**所以在性能上来说，一个有超线程能力的单核CPU，是无法和一个双核CPU相比的。**只有当其中一个queue阻塞的时候，才能得到双倍的性能。一般而言，有超线程的核，性能上是没有超线程的核的1.25倍。

那么我们来做一个计算题：一个6核12线程的CPU，和一个8核8线程的CPU，哪一个综合性能要好一点？

• 6核12线程，也就是6个有超线程能力的物理核，实际上可以相等于6 * 1.25 = 7.5个核
• 8核8线程，就是8个核

所以，8核8线程的性能还要相对好一点。

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