多核與多線(xiàn)程技術(shù)的區別到底在哪里？

　　毫無(wú)疑問(wèn)的，“多核”、“多線(xiàn)程”此二詞已快成為當今處理器架構設計中的兩大顯學(xué)，如同歷史戰國時(shí)代以“儒”、“墨”兩大派的顯學(xué)，只不過(guò)當年兩大治世思想學(xué)派是爭得你死我亡，而多核、多線(xiàn)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(xiàn)程的路線(xiàn)發(fā)展邁進(jìn)。

　　雖然兩詞到處可見(jiàn)，但可有人知此二者的實(shí)際差異？在執行設計時(shí)又是以何者為重？到底是該多核優(yōu)先還是多線(xiàn)程提前？關(guān)于此似乎大家都想進(jìn)一步了解，本文以下試圖對此進(jìn)行個(gè)中差異的解說(shuō)，并盡可能在不涉及實(shí)際復雜細節的情形下，讓各位對兩者的機制觀(guān)念與差別性有所理解。

　　行程早于線(xiàn)程

　　若依據信息技術(shù)的發(fā)展歷程，在軟件程序執行時(shí)的再細分、再切割的小型化單位上，先是有行程（Process），之后才有線(xiàn)程（Thread），線(xiàn)程的單位比行程更小，一個(gè)行程內可以有多個(gè)線(xiàn)程，在一個(gè)行程下的各線(xiàn)程，都是共享同一個(gè)行程所建立的內存尋址資源及內存管理機制，包括執行權階、內存空間、堆棧位置等，除此之外各個(gè)線(xiàn)程自身僅擁有少許因為執行之需的變量自屬性，其余都依據與遵行行程所設立的規定。

　　相對的，程序與程序之間所用的就是不同的內存設定，包括分頁(yè)、分段等起始地址的不同，執行權階的不同，堆棧深度的不同等，一顆處理器若執行了A行程后要改去執行B行程，對此必須進(jìn)行內存管理組態(tài)的搬遷、變更，而這個(gè)搬遷若是在處理器內還好，若是在高速緩存甚至是系統主存儲器時(shí)，此種切換、轉移程序對執行效能的損傷就非常大，因為完成搬遷、切換程序的相同時(shí)間，處理器早就可以執行數十到上千個(gè)指令。

　　兩種路線(xiàn)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，第一種思考就是擴大到整體運算系統的層面來(lái)解決，在一部計算機內設計、配置更多顆的處理器，然后由同一個(gè)操作系統同時(shí)掌控及管理多顆處理器，并將要執行的程序的各個(gè)程序，一個(gè)程序喂（也稱(chēng)：發(fā)派）給一顆處理器去執行，如此多顆同時(shí)執行，每顆處理器執行一個(gè)程序，如此就可以加快整體的執行效率。

　　當然！這種加速方式必須有一個(gè)先決條件，即是操作系統在編譯時(shí)就必須能管控、發(fā)揮及運用多行程技術(shù)，倘若以單行程的系統組態(tài)來(lái)編譯，那么操作系統就無(wú)法管控服務(wù)器內一顆以上的處理器，如此就不用去談?wù)撚刹僮飨到y負責讓?xiě)贸绦虻某绦蜻M(jìn)行同時(shí)的多顆同時(shí)性的執行派送。

　　即便操作系統支持多程序，而應用程序若依舊只支持單程序，那情形一樣是白搭，操作系統無(wú)法對單行程程序再行拆分，依然是只喂入單一顆處理器上去執行，無(wú)從加速。

　　同時(shí)用多顆處理器來(lái)執行，且每顆處理器執行一個(gè)行程，這是一種加速法，另一種加速法則是：盡量不進(jìn)行內存管理組態(tài)的切換，避免切換的效能折損，線(xiàn)程正是在此概念下所出現的產(chǎn)物。

　　不過(guò)，線(xiàn)程也要程序的搭配才能發(fā)揮，線(xiàn)程的概念出現與落實(shí)已是“C++看消、Java看長(cháng)”的階段，所以C++只能通過(guò)API呼用的方式來(lái)支持與使用多線(xiàn)程，如此必須改寫(xiě)過(guò)往的程序才行，改寫(xiě)成有呼用到支持多線(xiàn)程的API才行。相對的，較C++晚問(wèn)世的Java則是原生支持多線(xiàn)程，不用改寫(xiě)也能發(fā)揮及運用多線(xiàn)程的特性及其加速效益。

　　有了線(xiàn)程后，執行的分割、切割更加細膩，線(xiàn)程機制不僅在多顆處理器的系統內可以加速，在單顆處理器內也一樣能獲得好處，在多顆處理器的系統上每顆處理器不僅可以單獨執行一個(gè)程序，當然也可以單獨執行一個(gè)線(xiàn)程，而在單處理器系統上因為省去內存管理組態(tài)的搬遷，所以一樣可以加速，很明顯的，線(xiàn)程使執行的發(fā)派、分配更加細膩與靈活化。

　　線(xiàn)程的副作用

　　線(xiàn)程雖有好用的優(yōu)點(diǎn)，不過(guò)它也有副作用的缺點(diǎn)，且此一優(yōu)缺是一體兩面無(wú)從分割，缺點(diǎn)是各個(gè)線(xiàn)程共享同一組內存管理組態(tài)及機制，倘若有一個(gè)線(xiàn)程的執行發(fā)生錯誤、瑕疵、或遭入侵等，其余在同一個(gè)行程內的每個(gè)線(xiàn)程也都會(huì )遭受影響、波及，最嚴重是同一個(gè)行程內的一切都錯亂、毀壞，由此可知：線(xiàn)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行，每顆處理器可以執行一個(gè)行程或一個(gè)線(xiàn)程，但是一顆具有多線(xiàn)程能力的處理器并不表示它可以同時(shí)執行多個(gè)線(xiàn)程，事實(shí)上在同一時(shí)間內一顆具多線(xiàn)程功效的處理器也依然是執行一個(gè)線(xiàn)程而已，只是多線(xiàn)程處理器的內部可以將原有線(xiàn)程的相關(guān)信息及變量暫時(shí)擱擺，然后去執行其它的線(xiàn)程，執行完后在切換回原來(lái)執行到一半的線(xiàn)程，甚至沒(méi)執行完也可以切換回來(lái)，且整個(gè)切換過(guò)程都在處理器內進(jìn)行，不用與快取與內存進(jìn)行搬遷置換，如此以快速換線(xiàn)程執行的方式來(lái)加速。

　　相對于此的，一顆不具多線(xiàn)程能力的處理器，執行一個(gè)線(xiàn)程到一半若想改執行另一個(gè)線(xiàn)程，就必須將原線(xiàn)程、現線(xiàn)程的相關(guān)內容與信息搬遷到快取或內存，然后自快取及內存引入另一個(gè)線(xiàn)程，由于此一搬轉頗耗時(shí)，所以多半選擇將原有的線(xiàn)程執行完再引入下一個(gè)線(xiàn)程，如此在時(shí)間上可能還比較經(jīng)濟。然而無(wú)論一線(xiàn)程完整執行后再執行下一個(gè)線(xiàn)程，還是進(jìn)行線(xiàn)程的進(jìn)出搬遷轉移，都不會(huì )比具備多線(xiàn)程能力的處理器來(lái)的快速有效。

　　至此我們可以歸納整理：

　　1.多核、多處理器系統中的每顆處理器（每個(gè)核），同時(shí)間內可以執行各自不同的行程（或線(xiàn)程）。

　　2.一顆多線(xiàn)程能力的處理器，無(wú)論是支持二線(xiàn)程、四線(xiàn)程、八線(xiàn)程，這些線(xiàn)程都必須是在同一個(gè)行程內，所以一顆處理器（一個(gè)核）還是只能執行一個(gè)行程，雙核處理器就能夠同時(shí)執行兩個(gè)不同的行程（或線(xiàn)程），四核就可以同時(shí)不同的四個(gè)行程（或線(xiàn)程）。

　　3.倘若是執行不支持多線(xiàn)程的程序，其執行上的分拆最多只到行程而未到線(xiàn)程，那么每顆處理器內的多線(xiàn)程功效就無(wú)從發(fā)揮，而這類(lèi)的程序歷史較長(cháng)久，相對的原生支持多線(xiàn)程的程序歷史較短，不過(guò)信息技術(shù)的腳步向來(lái)進(jìn)展快速，兩種不同層次的支持僅差距數年時(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(xiàn)程嗎？關(guān)于此可通過(guò)產(chǎn)業(yè)實(shí)際發(fā)展做為應證，Sun的UltraSPARC T1處理器（研發(fā)代號：Niagara）是八核四線(xiàn)程的設計，但接續的UltraSPARC T2處理器（研發(fā)代號：Niagara 2）則是八核八線(xiàn)程的設計，所以是核多、核優(yōu)先，然后再來(lái)拉跋、提升線(xiàn)程的執行。

　　同樣的，IBM為Microsoft Xbox 360所設計的Xenon處理器，是個(gè)三核二線(xiàn)程的設計，核數依然是高于線(xiàn)程數，又如IBM、Sony、Toshiba三家業(yè)者合研的Cell處理器，現有第一代的Cell（研發(fā)代號：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：DD2）也針對PPE的部分進(jìn)行雙線(xiàn)程發(fā)展，如此再次表示核比線(xiàn)程重要，當Cell僅進(jìn)行增一線(xiàn)程的擴展改進(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(xiàn)程”之外　還有“多令”、“多機”

　　最后，且讓我們談?wù)勁c多核、多線(xiàn)程不同加速走向的“多令”，“多令”是筆者發(fā)明的詞，指的是比執行行程（Process）、線(xiàn)程（Thread）更基底層次的執行指令（Instruction），多核的作法是盡可能在同時(shí)間內執行多個(gè)行程，多令則是盡可能在同時(shí)間內執行多個(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。

　　到目前為止多令并非不可行，但僅行于數字信號、圖像等處理，繪圖芯片、媒體處理器等多實(shí)行VLIW架構，然多令在泛用運算上卻未見(jiàn)效益，至于科學(xué)研究之類(lèi)的高效運算也傾向使用更高層次的平行：多機（叢集、網(wǎng)格，執行范疇與分配類(lèi)同于線(xiàn)程、行程），看來(lái)多令、多程/線(xiàn)程、多機各有所用，端看運用場(chǎng)合的適切性。