Потоки процессора что это: для чего они нужны и на что влияют – Процессор: потоки или ядра

Содержание

для чего они нужны и на что влияют

Опубликовано 10.06.2018 автор — 2 комментария

Добрый день. Сегодня хотелось бы разобрать, что такое потоки в процессоре. Те самые, о функциях и возможностях которых большинство и не догадывается, однако любят хвастаться остальным.

Если провести сравнение процессоров разных поколений, то можно заметить одну интересную тенденцию: многопоточность – штука полезная и здорово повышает суммарную производительность системы.

Начнем с того, что каждый современный процессор построен на физических ядрах с определенной частотой. Допустим, 1 ядро имеет тактовую частоту в 3 ГГц, т.е. может выполнить 3 млрд вычислительных операций за секунду (такт). Но современные ОС (Windows, Linux, MacOS) запускают более 3 млрд процессов, т.е. пользователь начинает сталкиваться с таким понятием как прерывание: ЦП физически не успевает обрабатывать все сразу и начинает переключаться на самые приоритетные задачи.

Логика здесь элементарная: присмотреться к многоядерным и многопоточным решениям. Разгон не дает линейного прироста в производительности, иначе такие гиганты как Intel и AMD выпускали бы процессоры на 5–6 и более ГГц.

Польза от повышения частоты есть, но она нивелируется увеличенным энергопотреблением и сокращением срока службы ЦП.

Многопоточность и все о ней

Многие наверняка слышали выражения из серии «2 потока», «4 потока», «8 потоков» и т.д. При этом физических ядер зачастую было в 2 раза меньше.

Эта технология имеет название HyperThreading (Intel) или SMT (AMD).

Многопоточность у красных появилась совсем недавно, с выходом чипов Ryzen на совершенно новом техпроцессе. Что это такое – тема отдельной статьи.

Цель функции заключается в том, что на 1 ядро может одновременно обрабатывать несколько потоков данных. Пока первый поток простаивает, а второй занимается вычислением, запущенное приложение может воспользоваться вакантной логической мощью для своих целей. В результате, прерывания случаются гораздо реже, а вы не ощущаете тормозов и прочих неудобств при работе.

Недостаток технологии заключается в следующем:

  • оба потока обращаются к единой кэш-памяти 2 и 3 уровней;
  • тяжелые вычислительные процессы могут вызвать конфликт в системе.

Если очень грубо, то все кирпичи с одного места на другое можно перенести в одной руке (1 поток), либо в двух (2 потока), но человек при этом один (1 ядро) и устает одинаково при любых условиях, хоть его производительность фактически увеличивается вдвое. Иными словами, мы упираемся в производительность ЦП, а конкретней в его частоту.

Знакомы с понятием Turbo Boost? Процесс кратковременно повышает частоту процессора на несколько сотен мегагерц в особо сложных сценариях, чтобы вы не испытывали проблем при обработке сложных данных.

Сколько нужно ядер и потоков современному обывателю?

Как я уже сказал выше, современные ОС падки на ресурсы процессора, поскольку отнимают часть мощностей на собственные службы, интерфейс, красивости и функции защиты в реальном времени. Но при этом пользователь хочет еще и работать с комфортом.

  • По-хорошему, для офисной работы будет вполне достаточно 2‑ядерных ЦП, но при этом учитывайте, что одновременно работать с браузером, текстовыми редакторами, почтовым клиентом и проигрывателем, не получится – система попросту не справится. А если использовать топологию 2 ядра/4 потока, то ситуация в корне преображается – рук то больше.
  • Игры требуют уже больше ресурсов. Начнем с того, что современные проекты очень падки на ресурсы чипа. Взять к примеру, ту же GTA V или Watch Dogs 2: они способны выжимать все соки из любого камня, поскольку параллельно отрисовывают сцены игры (скрипты), просчитывают окружение, прорабатывают звук, поведение искусственного интеллекта и не только. И все эти процессы еще нужно синхронизировать надлежащим образом.
  • А если копнуть в задачи типа программирования, рендеринга и профессиональной работы с графики, то видно, что здесь и 4‑ядерные/8‑поточные чипы начинают захлебываться и работают на износ.

Вместо итогов

Практика показывает, что современный универсальный ПК должен иметь в своем распоряжении как минимум 4 ядра/8 потоков, чего будет достаточно для большинства задач, связанных с обработкой данных. Хотя варианты из серии 6/12 выглядят более обещающими по той причине, что стоят они не намного дороже, а пользы от них больше.

В качестве «золотой» середины можем предложить свежий AMD Ryzen 5 2600, построенный на обновленной архитектуре Zen+. Он отлично справляется с играми, программами, распараллеливанием и обработкой данных, при этом отлично гонится.

Надеемся, что вы почерпнули для себя полезную информацию, которая пригодится при подборе процессора для будущей системы. Следите за дальнейшими обновлениями, чтобы не пропустить новые статьи об анатомии ЦП.

С уважением Андрей Андреев

Процессор: потоки или ядра

На рынке компьютерных комплектующих присутствует немало процессоров, у которых число потоков больше числа физических ядер. В некоторых задачах эти «виртуальные ядра» могут дать существенный прирост в производительности, в других они практически бесполезны.

Многоядерность и гиперпоточность

Ядро — это физически обособленная вычислительная единица процессора, способная в один момент времени выполнять одну последовательность команд. Если ядро одно, а последовательностей требуется выполнять несколько, оно быстро переключается между ними, выполняя задачи поочередно.

Поток (применительно к процессору), или виртуальное ядро – результат реализации вычислений, при котором одно физическое ядро способно программно разделять свою производительность и работать над несколькими последовательностями команд одновременно. Простыми словами, ЦП делает вид для операционной системы и программ, что у него больше ядер, чем есть на самом деле. Убедиться в этом можно, открыв диспетчер устройств или другую программу для мониторинга комплектующих.

Гиперпоточность позволяет распараллеливать вычисления более эффективно – если одно виртуальное ядро завершило работу над своей задачей и находится в режиме ожидания, его ресурсы может использовать другое. В случаях, когда гиперпоточность не поддерживается, эти ресурсы простаивают. Таким образом, поддержка виртуальных ядер может ускорить выполнение некоторых задач, хотя, разумеется, она не так хороша, как наличие дополнительных физических, и удвоения производительности ожидать не стоит.

Иллюстрация концепции потоков/виртуальных ядер:

cores threads - потоки и ядра процессора

Рассмотрим следующий упрощенный пример: если двухъядерный процессор с двумя потоками работает с четырьмя последовательностями команд одновременно, а производительность одного ядра для одной последовательности избыточна, то общая производительность будет ниже, чем в случае, если на месте такого процессора будет вариант с двумя ядрами, но с четырьмя потоками, поскольку на переключение между задачами тратится дополнительное время, и часть ресурсов иногда простаивает. А вот если вычислительных ресурсов одного потока недостаточно для выполнения одной последовательности, то виртуальные ядра почти не помогут – нужны дополнительные физические.

Распараллеливание нагрузки при помощи технологии Intel Hyper-Threading

Intel Hyper-Threading

Немного истории

Когда-то процессоры были одноядерными и однопоточными. Если требовалось эффективно распараллеливать вычисления (в серверном сегменте, рабочих станциях) использовались материнские платы с несколькими процессорными разъемами. Соответственно, материнке требовалась возможность соединять все процессоры с другими комплектующими (например, оперативной памятью). По сравнению с современной реализацией, возникали дополнительные задержки, возрастали энергозатраты.

Развитие архитектуры началось с гиперпоточности, а в дальнейшем на одном кристалле производители стали размещать и несколько физических ядер. Сейчас оба основных производителя центральных процессоров для ПК (Intel и AMD) выпускают модели с двумя и более физическими ядрами, как с поддержкой виртуальных ядер, так и без нее.

Потоки или ядра?

Центральный процессор – один из ключевых компонентов системы, влияющих на ее производительность в целевых задачах, а также на удобство использования компьютера. Часто у пользователей, желающих собрать систему, возникает вопрос: на что ориентироваться при выборе ЦП? Стоит ли переплачивать за дополнительные потоки/виртуальные ядра?

Ответ зависит от предполагаемых сценариев использования. В большинстве игр прирост производительности от гиперпоточности окажется минимальным или даже нулевым, а вот добавление физических ядер скажется на частоте кадров явно положительно. Разумеется, если движок игры способен распараллеливать вычисления на такое количество ядер. Многие игры, выпущенные в предыдущие годы, способны работать только с 2-4 ядрами — остальные будут простаивать или заниматься фоновыми программами.

Наибольшую выгоду виртуальные ядра приносят в рабочих задачах, подверженных эффективному распараллеливанию. К ним относятся, например, архивация файлов, обработка фотографий, рендеринг видео, моделирование. Таким образом, польза дополнительных потоков для компьютера, который будет использоваться в первую очередь для игр или медиа, сомнительна. Впрочем, если параллельно с играми будут выполняться и другие задачи, такие как стриминг, запись/обработка видео, скачивание/раздача файлов при помощи торрент-клиента, антивирусная проверка, она возрастает. В подобных ситуациях виртуальные ядра помогают снять фоновую нагрузку с физических.

Впрочем, кратного роста вычислительной мощи ждать все равно не стоит, и для типичных домашних сценариев использования переплата за виртуальные ядра часто будет неоправданной. Другое дело – если компьютер используется для профессиональной деятельности, и применяются программы, хорошо работающие с гиперпоточностью – прирост в производительности при правильной оптимизации может составлять десятки процентов.

Подытожим: если речь идет о домашнем игровом или мультимедийном компьютере, не стоит ждать чудес от виртуальных ядер, и, если за них придется доплатить ощутимую сумму, лучше рассмотреть вариант с дополнительными физическими, или вложить деньги в другие комплектующие. Если же система будет использоваться для работы – прирост может быть значительным, поэтому стоит ознакомиться с тестами гиперпоточных ЦП для конкретного вида задач.

Процессы и потоки in-depth. Обзор различных потоковых моделей / Habr

Здравствуйте дорогие читатели. В данной статье мы рассмотрим различные потоковые модели, которые реализованы в современных ОС (preemptive, cooperative threads). Также кратко рассмотрим как потоки и средства синхронизации реализованы в Win32 API и Posix Threads. Хотя на Хабре больше популярны скриптовые языки, однако основы — должны знать все 😉

Потоки, процессы, контексты…


Системный вызов (syscall). Данное понятие, вы будете встречать достаточно часто в данной статье, однако несмотря на всю мощь звучания, его определение достаточно простое 🙂 Системный вызов — это процесс вызова функции ядра, из приложение пользователя. Режим ядра — код, который выполняется в нулевом кольце защиты процессора (ring0) с максимальными привилегиями. Режим пользователя — код, исполняемый в третьем кольце защиты процессора (ring3), обладает пониженными привилегиями. Если код в ring3 будет использовать одну из запрещенных инструкций (к примеру rdmsr/wrmsr, in/out, попытку чтения регистра cr3, cr4 и т.д.), сработает аппаратное исключение и пользовательский процесс, чей код исполнял процессор в большинстве случаях будет прерван. Системный вызов осуществляет переход из режима ядра в режим пользователя с помощью вызова инструкции syscall/sysenter, int2eh в Win2k, int80h в Linux и т.д.

И так, что же такое поток? Поток (thread) — это, сущность операционной системы, процесс выполнения на процессоре набора инструкций, точнее говоря программного кода. Общее назначение потоков — параллельное выполнение на процессоре двух или более различных задач. Как можно догадаться, потоки были первым шагом на пути к многозадачным ОС. Планировщик ОС, руководствуясь приоритетом потока, распределяет кванты времени между разными потоками и ставит потоки на выполнение.

На ряду с потоком, существует также такая сущность, как процесс. Процесс (process) — не что более иное, как некая абстракция, которая инкапсулирует в себе все ресурсы процесса (открытые файлы, файлы отображенные в память…) и их дескрипторы, потоки и т.д. Каждый процесс имеет как минимум один поток. Также каждый процесс имеет свое собственное виртуальное адресное пространство и контекст выполнения, а потоки одного процесса разделяют адресное пространство процесса.

Каждый поток, как и каждый процесс, имеет свой контекст. Контекст — это структура, в которой сохраняются следующие элементы:

  • Регистры процессора.
  • Указатель на стек потока/процесса.

Также следует отметить, что в случае выполнения системного вызова потоком и перехода из режима пользователя, в режим ядра, происходит смена стека потока на стек ядра. При переключении выполнения потока одного процесса, на поток другого, ОС обновляет некоторые регистры процессора, которые ответственны за механизмы виртуальной памяти (например CR3), так как разные процессы имеют разное виртуальное адресное пространство. Здесь я специально не затрагиваю аспекты относительно режима ядра, так как подобные вещи специфичны для отдельно взятой ОС.

В общем случае, справедливы следующие рекомендации:

  • Если ваша задача требует интенсивного распараллеливания, используйте потоки одного процесса, вместо нескольких процессов. Все потому, что переключение контекста процесса происходит гораздо медленнее, чем контекста потока.
  • При использовании потока, старайтесь не злоупотреблять средствами синхронизации, которые требуют системных вызовов ядра (например мьютексы). Переключение в редим ядра — дорогостоящая операция!
  • Если вы пишете код, исполняемый в ring0 (к примеру драйвер), старайтесь обойтись без использования дополнительных потоков, так как смена контекста потока — дорогостоящая операция.

Волокно (fiber) — облегченный поток, выполняемый в режиме пользователя. Волокно затребует значительно меньше ресурсов, и позволяет в некоторых случаях минимизировать количество системных вызовов и следственно увеличить производительность. Обычно волокна выполняются в контексте потока, который их создал и затребуют лишь сохранения регистров процессора при их переключении. Какбы-то нибыло, но волокна не сыскали должной популярности. Они были реализованы в свое время в множестве BSD ОС, но со временем выбрасывались оттуда. Win32 API также реализует механизм волокон, но используется он лишь для облегчения портирования софта, написанного под другую ОС. Следует отметить, что за переключение волокон ответственен либо планировщик уровня процесса, либо переключение должно быть реализовано в самом приложении, проще говоря вручную 🙂

Классификация потоков


Поскольку классификация потоков — вопрос неоднозначный, то предлагаю их классифицировать следующим способом:
  • По отображению в ядро: 1:1, N:M, N:1
  • По многозадачной модели: вытесняющая многозадачность (preemptive multitasking), кооперативная многозадачность (cooperative multitasking).
  • По уровню реализации: режим ядра, режим польователя, гибридная реализация.

Классификация потоков по отображению в режим ядра

Как я уже упомянул, потоки могут быть созданы не только в режиме ядра, но и в режиме пользователя. Планировщиков потоков в ОС может быть несколько:

  • Центральный планировщик ОС режима ядра, который распределяет время между любым потоком в системе.
  • Планировщик библиотеки потоков. У библиотеки потоков режима пользователя может быть свой планировщик, который распределяет время между потоками различных процессов режима пользователя.
  • Планировщик потоков процесса. Уже рассмотренные нами волокна, ставятся на выполнение именно таким способом. К примеру свой Thread Manager есть у каждого процесса Mac OS X, написанного с использованием библиотеки Carbon.

Итак. Модель 1:1 — самая простая модель. Согласно ее принципам, любой поток созданный в любом процессе управляется напрямую планировщиком ядра ОС. Т.е. имеем отображении 1 к 1 потока пользовательского процесса на поток ядра. Такая модель реализована в Linux начиная с ядра 2.6, а также Windows.

Модель N:M отображает некоторое число потоков пользовательских процессов N на M потоков режима ядра. Проще говоря имеем некую гибридную систему, когда часть потоков ставится на выполнение в планировщике ОС, а большая их часть в планировщике потоков процесса или библиотеки потоков. Как пример можно привести GNU Portable Threads. Данная модель достаточно трудно реализуема, но обладает большей производительностью, так как можно избежать значительного количества системных вызовов.

Модель N:1. Как вы наверное догадались — множество потоков пользовательского процесса отображаются на один поток ядра ОС. Например волокна.

Классификация потоков по многозадачной модели


Во времена DOS, когда однозадачные ОС перестали удовлетворять потребителя, программисты и архитекторы задумали реализовать многозадачную ОС. Самое простое решение было следующим: взять общее количество потоков, определить какой-нибудь минимальный интервал выполнения одного потока, да взять и разделить между всеми -братьями- потоками время выполнения поровну. Так и появилось понятие кооперативной многозадачности (cooperative multitasking), т.е. все потоки выполняются поочередно, с равным временем выполнения. Никакой другой поток, не может вытеснить текущий выполняющийся поток. Такой очень простой и очевидный подход нашел свое применение во всех версиях Mac OS вплоть до Mac OS X, также в Windows до Windows 95, и Windows NT. До сих пор кооперативная многозадачность используется в Win32 для запуска 16 битных приложений. Также для обеспечения совместимости, cooperative multitasking используется менеджером потоков в Carbon приложениях для Mac OS X.

Однако, кооперативная многозадачность со временем показала свою несостоятельность. Росли объемы данных хранимых на винчестерах, росла также скорость передачи данных в сетях. Стало понятно, что некоторые потоки должны иметь больший приоритет, как-то потоки обслуживания прерываний устройств, обработки синхронных IO операций и т.д. В это время каждый поток и процесс в системе обзавелся таким свойством, как приоритет. Подробнее о приоритетах потоков и процессов в Win32 API вы можете прочесть в книге Джефри Рихтера, мы на этом останавливатся не будем 😉 Таким образом поток с большим приоритетом, может вытеснить поток с меньшим. Такой прицип лег в основу вытесняющей многозадачности (preemptive multitasking). Сейчас все современные ОС используют данный подход, за исключением реализации волокон в пользовательском режиме.

Классификация потоков по уровню реализации


Как мы уже успели обсудить, реализация планировщика потоков может осуществлятся на разных уровнях. Итак:
  1. Реализация потоков на уровне ядра. Проще говоря, это классическая 1:1 модель. Под эту категорию подпадают:
    • Потоки Win32.
    • Реализация Posix Threads в Linux — Native Posix Threads Library (NPTL). Дело в том, что до версии ядра 2.6 pthreads в Linux был целиком и полностью реализован в режиме пользователя (LinuxThreads). LinuxThreads реализовывалf модель 1:1 следующим образом: при создании нового потока, библиотека осуществляла системный вызов clone, и создавало новый процесс, который тем не менее разделял единое адресное пространство с родительским. Это породило множество проблем, к примеру потоки имели разные идентификаторы процесса, что противоречило некоторым аспектам стандарта Posix, которые касаются планировщика, сигналов, примитивов синхронизации. Также модель вытеснения потоков, работала во многих случаях с ошибками, по этому поддержку pthread решено было положить на плечи ядра. Сразу две разработки велись в данном направлении компаниями IBM и Red Hat. Однако, реализация IBM не снискала должной популярности, и не была включена ни в один из дистрибутивов, потому IBM приостановила дальнейшую разработку и поддержку библиотеки (NGPT). Позднее NPTL вошли в библиотеку glibc.
    • Легковесные ядерны потоки (Leight Weight Kernel Threads — LWKT), например в DragonFlyBSD. Отличие этих потоков, от других потоков режима ядра в том, что легковесные ядерные потоки могут вытеснять другие ядерные потоки. В DragonFlyBSD существует множество ядерных потоков, например поток обслуживания аппаратных прерываний, поток обслуживания программных прерываний и т.д. Все они работают с фиксированным приоритетом, так вот LWKT могут вытеснять эти потоки (preempt). Конечно это уже более специфические вещи, про которые можно говорить бесконечно, но приведу еще два примера. В Windows все потоки ядра выполняются либо в контексте потока инициировавшего системный вызов/IO операцию, либо в контексте потока системного процесса system. В Mac OS X существует еще более интересная система. В ядре есть лишь понятие task, т.е. задачи. Все операции ядра выполняются в контексте kernel_task. Обработка аппаратного прерывания, к примеру, происходит в контексте потока драйвера, который обслуживает данное прерывание.
  2. Реализация потоков в пользовательском режиме. Так как, системный вызов и смена контекста — достаточно тяжелые операции, идея реализовать поддержку потоков в режиме пользователя витает в воздухе давно. Множество попыток было сделано, однако данная методика популярности не обрела:
    • GNU Portable Threads — реализация Posix Threads в пользовательском режиме. Основное преимущество — высокая портабельность данной библиотеки, проще говоря она может быть легко перенесена на другие ОС. Проблему вытиснения потоков в данной библиотеке решили очень просто — потоки в ней не вытесняются 🙂 Ну и конечно ни о какой мультмпроцессорности речь идти не может. Данная библиотека реализует модель N:1.
    • Carbon Threads, которые я упоминал уже не раз, и RealBasic Threads.
  3. Гибридная реализация. Попытка использовать все преимущества первого и второго подхода, но как правило подобные мутанты обладают гораздо бОльшими недостатками, нежели достоинствами. Один из примеров: реализация Posix Threads в NetBSD по модели N:M, которая была посже заменена на систему 1:1. Более подробно вы можете прочесть в публикации Scheduler Activations: Effective Kernel Support for the User-Level Management of Parallelism.

Win32 API Threads


Если вы все еще не устали, предлагаю небольшой обзор API для работы с потоками и средствами синхронизации в win32 API. Если вы уже знакомы с материалом, можете смело пропускать этот раздел 😉

Потоки в Win32 создаются с помощью функции CreateThread, куда передается указатель на функцию (назовем ее функцией потока), которая будет выполнятся в созданом потоке. Поток считается завершенным, когда выполнится функция потока. Если же вы хотите гарантировать, что поток завершен, то можно воспользоватся функцией TerminateThread, однако не злоупотребляйте ею! Данная функция «убивает» поток, и отнюдь не всегда делает это корректно. Функция ExitThread будет вызвана неявно, когда завершится функция потока, или же вы можете вызвать данную функцию самостоятельно. Главная ее задача — освободить стек потока и его хендл, т.е. структуры ядра, которые обслуживают данный поток.

Поток в Win32 может пребывать в состоянии сна (suspend). Можно «усыпить поток» с помощью вызова функции SuspendThread, и «разбудить» его с помощью вызова ResumeThread, также поток можно перевести в состояние сна при создании, установив значение параметра СreateSuspended функции CreateThread. Не стоит удивлятся, если вы не увидите подобной функциональности в кроссплатформенных библиотеках, типа boost::threads и QT. Все очень просто, pthreads просто не поддерживают подобную функциональность.

Средства синхронихации в Win32 есть двух типов: реализованные на уровне пользователя, и на уровне ядра. Первые — это критические секции (critical section), к второму набору относят мьютексы (mutex), события (event) и семафоры (semaphore).

Критические секции — легковесный механизм синхронизации, который работает на уровне пользовательского процесса и не использует тяжелых системных вызовов. Он основан на механизме взаимных блокировок или спин локов (spin lock). Поток, который желает обезопасить определенные данные от race conditions вызывает функцию EnterCliticalSection/TryEnterCriticalSection. Если критическая секция свободна — поток занимает ее, если же нет — поток блокируется (т.е. не выполняется и не отъедает процессорное время) до тех пор, пока секция не будет освобождена другим потоком с помощью вызова функции LeaveCriticalSection. Данные функции — атомарные, т.е. вы можете не переживать за целостность ваших данных 😉

О мьютексах, событиях и семафорах было сказано достаточно много, по этому детально останавливатся я на них не буду. Следует заметить, что у всех этих механизмов есть общие черты:

  • Они использует примитивы ядра при выполнении, т.е. системные вызовы, что сказывается не производительности.
  • Могут быть именованными и не именованными, т.е. каждому такому объекту синхронизации можно присвоить имя.
  • Работают на уровне системы, а не на уровне процесса, т.е. могут служить механизмом межпроцессного взаимодействия (IPC).
  • Используют для ожидания и захвата примитива единую функцию: WaitForSingleObject/WaitForMultipleObjects.

Posix Threads или pthreads


Сложно представить, какая из *nix подобных операционных систем, не реализует этот стандарт. Стоит отметить, что pthreads также используется в различных операционных системах реального времени (RTOS), потому требование к этой библиотеке (вернее стандарту) — жестче. К примеру, поток pthread не может пребывать в состоянии сна. Также в pthread нет событий, но есть гораздо более мощный механизм — условных переменных (conditional variables), который с лихвой покрывает все необходимые нужды.

Поговорим об отличиях. К примеру, поток в pthreads может быть отменен (cancel), т.е. просто снят с выполнения посредством системного вызова pthread_cancel в момент ожидания освобождения какого-нибудь мьютекса или условной переменной, в момент выполнения вызова pthread_join (вызывающий поток блокируется до тех пор, пока не закончит свое выполнение поток, приминительно к которому была вызвана функция) и т.д. Для работы с мьютексами и семафорами существует отдельные вызовы, как-то pthread_mutex_lock/pthread_mutex_unlock и т.д.

Conditional variables (cv) обычно используется в паре с мьютексами в более сложных случаях. Если мьютекс просто блокирует поток, до тех пор, пока другой поток не освободит его, то cv создают условия, когда поток может заблокировать сам себя до тех пор, пока не произойдет какое-либо условия разблокировки. Например, механизм cv помогает эмулировать события в среде pthreads. Итак, системный вызов pthread_cond_wait ждет, пока поток не будет уведомлен о том, что случилось определенное событие. pthread_cond_signal уведомляет один поток из очереди, что cv сработала. pthread_cond_broadcast уведомляет все потоки, которые вызывали pthread_cond_wait, что сработала cv.

Прощальное слово


На сегодня пожалуй все, иначе информации станет слишком много. Для интересующихся, есть несколько полезных ссылок и книг внизу 😉 Также высказывайте свое мнение, интересны ли вам статьи по данной теме.

«Windows 2000 для профессионалов» — Джефри Рихтер.
GNU Portable Threads
Scheduler Activations: Effective Kernel Support for the User-Level Management of Parallelism

UPD: дополнил статью небольшой информацией о режиме ядра и режиме пользователя.
UPD2: исправил досадные промахи и ошибки. Спасибо комментаторам 😉

Что значит количество потоков в процессоре. Что такое потоки процессора? Многозадачность и многопроцессорная обработка

Процессор является ключевым элементом компьютера, который отвечает за обработку информации. Она может находиться как непосредственно в памяти самого вычислителя, так и в памяти других составляющих машины.

Каждый процесс устройства проходит через процессор. Например, в него видеокарта передает обработанные графические данные. Он считается ключевым, в том числе потому, что даже если карта имеет высокую производительность, а процессор не очень мощный, то он будет не в состоянии обрабатывать информацию с той скоростью, с которой она поступает из видеокарты.

Таким образом, производственные способности просто нивелируются. Это явление получило название bottleneck, что в переводе значит «узкое место» или «узкая шея».

Прежде чем говорить о данной проблеме, стоит уточнить само определение этого термина. Сама технология носит название Hyper-threading, в источниках часто встречается аббревиатура HT.

Сразу стоит оговориться, что количество потоков процессора всегда остается неизменным и увеличить его никак нельзя. Потоки условно принято считать теми же ядрами, только не физическими, а виртуальными. Почему так, а не иначе, подробно описано ниже.

Как узнать сколько потоков у процессора

Само ядро – это непосредственно тот элемент, который отвечает за математические вычисления, согласно принятому в нем алгоритму. Процессор можно назвать своего рода «коробкой» для ядер, он объединяет их и обеспечивает взаимодействие с остальными компонентами системы.

Коротко по сути и маленькая предыстория

Технология Hyper-threading дает возможность хранения двух потоков одновременно. Поэтому при использовании операционной системы Windows, процессор на 2 ядра имеет в своем активе 4 потока. Такие вычислители еще часто называют процессорами, поддерживающими Hyper-treading (гипертрейдинг).

Дорогие и высокопроизводительные процессоры содержат ядра и потоки. Многие считают, что это смежные понятия, однако это не до конца верно. Впервые потоки появились еще в те времена, когда на рынке технологий царствовал Pentium 4.

Среди некоторых пользователей бытовало мнение, что они отрицательно сказываются на производительности. Это утверждение является несколько ошибочным, ведь дело в оптимизации программного обеспечения.

Программ, которые могли корректно использовать данное преимущество было не много, если вообще были. Эта разработка находилась на стадии, своего рода, полевых исследований.

Система сама все о себе знает

Когда пользователь взаимодействует с конкретными программами компьютера, это вовсе не значит, что больше машина ничего не делает. Есть служебные задачи и фоновые процессы, выполнение которых происходит незаметно на первый взгляд.

Чтобы узнать подробную информацию в операционной системе Windows существует «Диспетчер задач», который в том числе покажет, сколько ресурсов компьютера используется в данное время.

Этот инструмент удобен, часто бывает полезен и обладает интуитивно понятным интерфейсом. Для того, чтобы открыть это приложение, нужно одновременно зажать клавиши Ctrl+Alt+Delete .

Так это выглядит на Windows 10 . Пользователи Mac OS найдут на своем компьютере утилиту «Принудительное завершение программ», которое легко вызвать при помощи клавиш cmd alt Esc . Она также дает возможность закрыть программу, которая перестала отвечать.
Еще одна популярная операционная система с открытым исходным кодом, Linux, тоже содержит диспетчер задач, только называется он по-другому – «Системный монитор».

Добраться до него помогут 3 простых шага:

  1. Системные утилиты
  2. Системный монитор

или можно воспользоваться командой

gnome-system-monitor .

Функционал «Системного монитора» полностью соответствуют таковым в «Диспетчере задач» Windows и «Принудительному завершению программ» в операционной системе от компании Apple.

Почему так быстрее

Поток, обработавший одну порцию данных, ожидает получение другой, а если он не получает, то помогает другому потоку. Таким образом достигается максимальное быстродействие, за счет того, что все ресурсы компьютера используются рационально. Он, в какой-то степени, становится более гибким.

Количество потоков всегда вдвое больше, нежели количество ядер (при наличии «на борту» технологии HT). 2 ядра равнозначно 4-ем потокам, 4 ядра равнозначно 8-и потокам. Алгоритм просчета не может бить иным. Авторство разработки принадлежит компании Intel, являющейся лидером в производстве процессоров на массовом потребительском рынке.

Таким образом, одно физическое реальное ядро состоит из двух виртуальных ядер. Не только ОС, но и программы, которые установлены на устройстве, видят это и используют открытый перед ними потенциал возможностей. Если программа поддерживает многопоточность, то работать она будет намного быстрее.

Пошаговое руководство для новичков

Соответственно, чтобы узнать количество потоков, необходимо выяснить количество ядер, содержащихся в процессоре. Для это есть 3 (как минимум) способа:

1. Документация устройства, в которой подробно указаны характеристики.
2. Интернет, где можно ввести модель ноутбука и посмотреть, что находится у него «под капотом».
3. Или же в этом может помочь уже упомянутый ранее «Диспетчер задач», в котором нужно выбрать пункт меню «Производительность».

Так как узнать, сколько потоков у конкретного процессора подскажут полезные информационные поля под диаграммой, дополнительных программ устанавливать не требуется. Поле «Ядра» сообщает о количестве физических ядер, а поле «Логические процессы » подсказывает сколько логических или же виртуальных ядер содержит компьютер.

Проанализировав скриншот выше, становится очевидно, что данная электронно-вычислительная машина, то бишь компьютер, содержит 4 ядра и 8 логических процессов (считай

Количество потоков процессора что это?

Просматривая характеристики современного процессора, среди таких важных его показателей, как количество ядер, тактовая частота, техпроцесс и объем кэша, также стоит отметить параметр с обозначением «количество потоков». Далеко не все понимают что это такое и на что влияет при работе компьютера. В данной статье мы постараемся максимально кратко и понятно ответить на эти вопросы.

Поток в процессоре — он же логический процессор

Для начала вас стоит знать, что поток в современном процессоре может называться еще виртуальным ядром или логическим процессором. По сути все это синонимы.

До появления многопроцессорных систем (материнских плат, на которые можно было устанавливать 2 процессора и более), понятие многозадачности в компьютере было условным. Несмотря на то, что пользователь мог одновременно работать в нескольких приложениях (например слушать музыку и сидеть в интернете), для процессора обрабатывать данные двух программ одновременно было невозможно. Делалось это за счет быстрых и частых переключений процессора с одной задачи на другую так, что пользователь этого просто не замечал. Из-за этих самых переключений сильно страдала скорость работы системы в целом.

Чтобы решить данную проблему и повысить параллельную скорость работы нескольких приложений были придуманы многопроцессорные системы. В них один процессор обрабатывал одну группу задач, а второй — другую.

Материнская плата с двумя процессорами

Но вопрос теперь был в другом. Стоимость таких систем была нецелесообразно высокой из-за сложности построения.

Следующим этапом в развитии процессоров стали гиперпотоки или как их сейчас называют — потоки. Говоря простыми словами, поток в процессоре — это виртуальное ядро, отличающееся от полноценного независимого ядра тем, что у него отсутствует часть узлов, ответственных за организацию и обработку данных. Но регистры, отвечающие за хранение архитектурного состояния, а также кэши у каждого из потоков свои.

Благодаря этому, возрастает скорость обработки многопоточных приложений при меньших трудозатратах, так как себестоимость процессоров с несколькими потоками на порядок ниже многоядерных и многопроцессорных решений. Среди прочих плюсов стоит отметить меньшее энергопотребление и как следствие — меньшее тепловыделение.

В настоящее время процессоры делаются многоядерными и многопоточными. Например, тот же Ryzen 5 2600 имеет 6 ядер, каждое из которых работает в два потока. Итого 12 потоков. Конечно, его нельзя назвать 12 ядерным (хотя многие по ошибке так делают), но производительность его во многих оптимизированных под многопоточность программах и играх будет на порядок выше, чем у аналогичного с 6 ядрами, каждое из которых работает в один поток.

Создание же процессора с полноценными 12 ядрами будет на порядок дороже и сложнее.

Смысл многоядерно-многопоточной реализации — повышение скорости работы и снижение стоимости производства, а также энергопотребления современных процессоров.

Вывод

Потоки в современном процессоре это «недоядра», позволяющие увеличить скорость работы приложений, оптимизированных на работу в несколько потоков данных, а таковыми являются практически все нынешние программы и игры.

Что такое потоки процессора? | блог Shte.ru

Во многих процессорах топового уровня есть потоки, как и ядра. Я постараюсь объяснить в чем отличие потока от ядра, и в чем преимущество этих потоков. Потоки появились достаточно давно, а именно еще во времена правления Pentium 4 (до них она был в Ксеонах как суперпоточность).

В то время потоки еще носили сомнительную пользу, некоторые пользователи считали что они только ухудшают производительность.

Но на самом деле, производительность не падала, просто на то время программ, которые могли грамотно работать с двумя потоками — вообще не было. Поэтому, потоки это скорее всего была экспериментальная технология в то время, кстати почти все Pentium D также не имели ее за исключением топовых моделе D955, D965 (это двухядерники с четырьмя потоками).

Теперь немного разберемся с тем, что это вообще такое. Технология потоков называется Hyper-threading и отображается сокращенно: HT (как правило указывается на коробках сбоку). На одно ядро допустим один поток. Если вы задавались иногда вопросом «как увеличить количество потоков процессора», то я вас разочарую — это невозможно, и даже не думайте об этом, это глупости =).

Hyper-threading позволяет хранить состояние сразу двух потоков, поэтому в из под Windows такие потоки выглядят как ядра. То есть, если у вас имеет процессор 2 ядра, то это 4 потока. Соответственно я имею ввиду процессор, который поддерживает гипертрейдинг.

Как работает Hyper-threading? Чтобы вы понимали, то процессор выполняет не только ваши задачи, но и другие, и в том числе служебные. Так вот, обрабатывая данные, поток потом их отправляет, или ждет новых данных из оперативной памяти. В это время, пока он ждет, он может помогать другому потоку. То есть гипертрейдинг призван увеличить производительность процессора, уменьшая время бездействия.

То есть, можно сделать вывод, что количество потоков всегда равно количеству ядер умноженное на два. Никак иначе. Эту технологию разработала Intel, соответственно в AMD-процессорах ее нет, но есть мнение, что у них есть подобная технология, именно поэтому многие считают что в восьми-ядерных процессорах AMD восемь не ядре, а потоков.

В любом случае, эта технология полезна, хоть это и виртуальные ядра — лучше с HT, чем без нее.

Также плюсом является то, что не только система видит такие потоки как настоящие ядра, но и программы, и если программа умеет распараллеливать свою работу, то скорость ее работы будет выше с потоками, чем без.

Теперь вас наверно заинтересует — как узнать количество потоков процессора? Это очень просто. Вам нужно открыть диспетчер задач (по панели задач нажмите правой кнопкой), и перейти на вкладку производительность. Там будет поле ядра, а под ним — количество потоков, вам нужно последнее:

Как видите, число потоков равно числу ядер, потому что мой Pentium G3220 к сожалению не поддерживает технологию HT.

Современные процессоры Intel Core i3, i7 ее поддерживают, а вот i5 — нет (вроде бы только в ноутбуках есть i5 с двумя ядрами и HT, и некоторые процессоры на 1156 сокет, там тоже два ядра и HT). Думаю что маркетинговый ход, чтобы было равно-мерное увеличение производительности моделей серии i.

Если вы думаете, какой процессор лучше — с потоками или нет, то конечно с ними. Иногда (не буду углубляться) цена с поддержкой HT и без невелика, поэтому стоит доплатить и взять тот, что поддерживает HT. Это я так, в общих чертах вам на будущее.


Вернуться на главную!

Что такое потоки в процессоре


Процессоры, ядра и потоки. Топология систем

В этой статье я попытаюсь описать терминологию, используемую для описания систем, способных исполнять несколько программ параллельно, то есть многоядерных, многопроцессорных, многопоточных. Разные виды параллелизма в ЦПУ IA-32 появлялись в разное время и в несколько непоследовательном порядке. Во всём этом довольно легко запутаться, особенно учитывая, что операционные системы заботливо прячут детали от не слишком искушённых прикладных программ.

Используемая далее терминология используется в документации процессорам Intel. Другие архитектуры могут иметь другие названия для похожих понятий. Там, где они мне известны, я буду их упоминать. Цель статьи — показать, что при всём многообразии возможных конфигураций многопроцессорных, многоядерных и многопоточных систем для программ, исполняющихся на них, создаются возможности как для абстракции (игнорирования различий), так и для учёта специфики (возможность программно узнать конфигурацию). Предупреждение о знаках ®, ™, © в статье Мой комментарий объясняет, почему сотрудники компаний должны в публичных коммуникациях использовать знаки авторского права. В этой статье их пришлось использовать довольно часто. Конечно же, самый древний, чаще всего используемый и неоднозначный термин — это «процессор». В современном мире процессор — это то (package), что мы покупаем в красивой Retail коробке или не очень красивом OEM-пакетике. Неделимая сущность, вставляемая в разъём (socket) на материнской плате. Даже если никакого разъёма нет и снять его нельзя, то есть если он намертво припаян, это один чип. Мобильные системы (телефоны, планшеты, ноутбуки) и большинство десктопов имеют один процессор. Рабочие станции и сервера иногда могут похвастаться двумя или больше процессорами на одной материнской плате.

Поддержка нескольких центральных процессоров в одной системе требует многочисленных изменений в её дизайне. Как минимум, необходимо обеспечить их физическое подключение (предусмотреть несколько сокетов на материнской плате), решить вопросы идентификации процессоров (см. далее в этой статье, а также мою предыдущую заметку), согласования доступов к памяти и доставки прерываний (контроллер прерываний должен уметь маршрутизировать прерывания на несколько процессоров) и, конечно же, поддержки со стороны операционной системы. Я, к сожалению, не смог найти документального упоминания момента создания первой многопроцессорной системы на процессорах Intel, однако Википедия утверждает, что Sequent Computer Systems поставляла их уже в 1987 году, используя процессоры Intel 80386. Широко распространённой поддержка же нескольких чипов в одной системе становится доступной, начиная с Intel® Pentium.

Если процессоров несколько, то каждый из них имеет собственный разъём на плате. У каждого из них при этом имеются полные независимые копии всех ресурсов, таких как регистры, исполняющие устройства, кэши. Делят они общую память — RAM. Память может подключаться к ним различными и довольно нетривиальными способами, но это отдельная история, выходящая за рамки этой статьи. Важно то, что при любом раскладе для исполняемых программ должна создаваться иллюзия однородной общей памяти, доступной со всех входящих в систему процессоров. К взлёту готов! Intel® Desktop Board D5400XS Исторически многоядерность в Intel IA-32 появилась позже Intel® HyperThreading, однако в логической иерархии она идёт следующей.

Казалось бы, если в системе больше процессоров, то выше её производительность (на задачах, способных задействовать все ресурсы). Однако, если стоимость коммуникаций между ними слишком велика, то весь выигрыш от параллелизма убивается длительными задержками на передачу общих данных. Именно это наблюдается в многопроцессорных системах — как физически, так и логически они находятся очень далеко друг от друга. Для эффективной коммуникации в таких условиях приходится придумывать специализированные шины, такие как Intel® QuickPath Interconnect. Энергопотребление, размеры и цена конечного решения, конечно, от всего этого не понижаются. На помощь должна прийти высокая интеграция компонент — схемы, исполняющие части параллельной программы, надо подтащить поближе друг к другу, желательно на один кристалл. Другими словами, в одном процессоре следует организовать несколько ядер, во всём идентичных друг другу, но работающих независимо.

Первые многоядерные процессоры IA-32 от Intel были представлены в 2005 году. С тех пор среднее число ядер в серверных, десктопных, а ныне и мобильных платформах неуклонно растёт. В отличие от двух одноядерных процессоров в одной системе, разделяющих только память, два ядра могут иметь также общие кэши и другие ресурсы, отвечающие за взаимодействие с памятью. Чаще всего кэши первого уровня остаются приватными (у каждого ядра свой), тогда как второй и третий уровень может быть как общим, так и раздельным. Такая организация системы позволяет сократить задержки доставки данных между соседними ядрами, особенно если они работают над общей задачей. Микроснимок четырёхядерного процессора Intel с кодовым именем Nehalem. Выделены отдельные ядра, общий кэш третьего уровня, а также линки QPI к другим процессорам и общий контроллер памяти. До примерно 2002 года единственный способ получить систему IA-32, способную параллельно исполнять две или более программы, состоял в использовании именно многопроцессорных систем. В Intel® Pentium® 4, а также линейке Xeon с кодовым именем Foster (Netburst) была представлена новая технология — гипертреды или гиперпотоки, — Intel® HyperThreading (далее HT). Ничто не ново под луной. HT — это частный случай того, что в литературе именуется одновременной многопоточностью (simultaneous multithreading, SMT). В отличие от «настоящих» ядер, являющихся полными и независимыми копиями, в случае HT в одном процессоре дублируется лишь часть внутренних узлов, в первую очередь отвечающих за хранение архитектурного состояния — регистры. Исполнительные же узлы, ответственные за организацию и обработку данных, остаются в единственном числе, и в любой момент времени используются максимум одним из потоков. Как и ядра, гиперпотоки делят между собой кэши, однако начиная с какого уровня — это зависит от конкретной системы.

Я не буду пытаться объяснить все плюсы и минусы дизайнов с SMT вообще и с HT в частности. Интересующийся читатель может найти довольно подробное обсуждение технологии во многих источниках, и, конечно же, в Википедии. Однако отмечу следующий важный момент, объясняющий текущие ограничения на число гиперпотоков в реальной продукции.

В каких случаях наличие «нечестной» многоядерности в виде HT оправдано? Если один поток приложения не в состоянии загрузить все исполняющие узлы внутри ядра, то их можно «одолжить» другому потоку. Это типично для приложений, имеющих «узкое место» не в вычислениях, а при доступе к данным, то есть часто генерирующих промахи кэша и вынужденных ожидать доставку данных из памяти. В это время ядро без HT будет вынуждено простаивать. Наличие же HT позволяет быстро переключить свободные исполняющие узлы к другому архитектурному состоянию (т.к. оно как раз дублируется) и исполнять его инструкции. Это — частный случай приёма под названием latency hiding, когда одна длительная операция, в течение которой полезные ресурсы простаивают, маскируется параллельным выполнением других задач. Если приложение уже имеет высокую степень утилизации ресурсов ядра, наличие гиперпотоков не позволит получить ускорение — здесь нужны «честные» ядра. Типичные сценарии работы десктопных и серверных приложений, рассчитанных на машинные архитектуры общего назначения, имеют потенциал к параллелизму, реализуемому с помощью HT. Однако этот потенциал быстро «расходуется». Возможно, по этой причине почти на всех процессорах IA-32 число аппаратных гиперпотоков не превышает двух. Н

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о