一文了解多核CPU和单核的区别

昨天有同学问我多核CPU和单核的区别大不大，今天简单写一篇回复下吧。大家有其他问题也可以文末给我留言，我会尽量抽时间写文回复。

首先回顾下基本概念，CPU，就是中央处理器，包括运算器和控制器。cpu的主要功能就是“一行一行的执行代码”。所以大家可以把cpu看成是医院的医生诊室，在一定时间内执行一行代码（给一个病人诊断治疗）。

所以单核cpu就是，代码经过前面一系列的前导操作（类似于医院挂号），然后到cpu处执行时发现，就只有一个cpu，大家排队执行。（类似于10个挂号窗口挂号，结果跑到医生那只有一个医生，只能排队等）。

这时候想要提升系统性能，只有两个办法，要么提升cpu性能（让医生看病快点），要么多加几个cpu（多整几个医生）。

多年前英特尔奔腾年代不断提升主频，就是提升cpu性能的思路。那个时候正是我读大学的时候，配电脑就是分析主频，秀操作就是超频。还有人搞什么液氮冷却超频……

后来主频实在玩不下去了，因为随着主频提升对工艺要求，EMI/EMC要求，发热量等要求太高，扛不住了，所以不得不转换思路，开始研究多核这条路了（一个医生已经007了，实在受不了了，不得不多配几个医生了）。

于是乎整起了多核心，多个cpu同步运行指令，这速度就起来了。多核还有两种不同思路，一种叫对称多核心，就是多个核心是完全相同的，譬如4核cortex-a53，这样的4个核心都是同一种内核a53，这种术语叫SMP。还有另一种就是多个核心不一样，譬如stm32mp157，内置2个cortex-a7，1个cortex-m4核心，所以它内部是有a7和m4两种不同类型的核心的，这种术语叫AMP。

一般经常说到的多核问题都是SMP的多核问题，amp这种析构多核大多数人还不太接触。我们今天主要是想说说smp。我从以下几个问题角度来讲一下。

1 多核的效率是单核的倍数吗？

譬如4核A53的cpu，性能是单核A53的4倍吗？理论上是，但是实际不可能，至少有两方面的损耗。

一个是多个核心的其他共用资源限制。譬如内存，你换了4核cpu难道内存也会加4倍吗？譬如cache，4核cpu的cache也是4倍设计吗？譬如寄存器，每个内核的寄存器都是独立的单核倍数设计吗？这就好像医院一样，1个医生换4个医生，但是做B超检查的还是一台机器，性能瓶颈就从医生转到B超检查了，不可能性能提升4倍的。

另一个是多核cpu之间的协调管理损耗。譬如你有4个任务要执行，怎么评论分配给多个cpu核心，避免那种“旱的旱死，涝的涝死”的情况，这就是所谓负载均衡的问题，在支持多核的os调度器设计时要考虑的。譬如多个核心同时运行两个相关的任务，需要考虑任务同步的，这也需要消耗额外性能。

这就好像公司工作一样，一个人的时候至少不用开会浪费时间，自己跟自己商量就行了。两个人就要开会同步工作，协调分配，所以工作效率绝对不可能达到2倍。要是几千几万人呢？那一天工作8小时有6小时在开会，干活时间只有30%不到了。

但是多核心宏观上总是提升了系统总体性能的，这就好像公司，团队人多了对外输出能力总是更强的（管理不失水准情况下）。所以SMP是目前提升系统性能的一种主流思路。

2 多核在编程上有区别吗？

如果你是做操作系统底层开发移植，那么多核和单核是有区别的，这个大家不妨去看看一些SMP SOC的Linux kernel源码就知道了，在我们经常分析的head.S中就有不少处理smp相关的代码。

但是如果你是做应用层开发，那对你来说区别很小了。

现在崇尚大家用多线程编程，也是因为SMP的硬件成为主流了，编程时把工作分开到多个线程中，这样调度器就可以将他们同时调度到多个cpu去运行，就可以提升系统性能，让你感觉到软件运行速度更快了。所以多线程编程要注意同步和临界区问题等，也都是并行运行带来的。