面试题

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好未来后端

单核CPU如何执行多个程序？

操作系统会为每个程序分配一个时间片，这个时间片是一个很短的时间间隔，例如几十毫秒。

单核 CPU 会轮流执行每个程序，在一个时间片内执行一个程序，当这个时间片用完后，就切换到下一个程序。这种方式给用户一种多个程序在同时运行的假象，因为切换速度非常快，用户难以察觉程序之间的切换。

CPU的流水线设计

一条指令的执行需要经过**取指令，翻译指令，执行指令**三个基本流程。CPU内部的电路也分为不同的单元：**取指单元、译码单元、执行单元**等，指令的执行也是按照流水线的工序一步一步执行的。如果采用流水线技术，则每个时钟周期内只有一个单元在工作，其余两个单元在“观望”

流水线设计将这些操作分成多个独立的阶段，每个阶段由专门的硬件单元负责，使不同指令的不同阶段可以并行执行，流水线的本质就是拿空间换时间。将每条指令的步骤分解到不同的电路单元，从而使得多个指令并行执行。

如果我们把一个指令拆分成“取指令 - 指令译码 - 执行指令”这样三个部分，那这就是一个三级的流水线。如果我们进一步把“执行指令”拆分成“ALU 计算（指令执行）- 内存访问 - 数据写回”，那么它就会变成一个五级的流水线。

尽管流水线无法减少单条指令执行时的 “延时” 这一性能指标，不过，借助于同时对多条指令的不同阶段展开执行，我们能够有效地提升 CPU 的 “吞吐率”。从外部视角来看，CPU 仿佛具备了 “一心多用” 的能力，在同一时刻，可以同时对 5 条不同指令的不同阶段进行处理。

CPU绑定的操作

在单核 CPU，虽然只能执行一个线程，但是操作系统给每个线程分配了一个时间片，时间片用完了，就调度下一个线程，于是各个线程就按时间片交替地占用 CPU，从宏观上看起来各个线程同时在执行。

而现代 CPU 都是多核心的，线程可能在不同 CPU 核心来回切换执行，这对 CPU Cache 不是有利的，虽然 L3 Cache 是多核心之间共享的，但是 L1 和 L2 Cache 都是每个核心独有的，如果一个线程在不同核心来回切换，各个核心的缓存命中率就会受到影响，相反如果线程都在同一个核心上执行，那么其数据的 L1 和 L2 Cache 的缓存命中率可以得到有效提高，缓存命中率高就意味着 CPU 可以减少访问内存的频率。

当有多个同时执行「计算密集型」的线程，为了防止因为切换到不同的核心，而导致缓存命中率下降的问题，我们可以把**线程绑定在某一个 CPU 核心上**，这样性能可以得到非常可观的提升。

在 Linux 上提供了 sched_setaffinity 方法，来实现将线程绑定到某个 CPU 核心这一功能。