超线程/同步多线程（HT/SMT）技术

虽然现在超线程（Hyper-Threading）被大家广泛接受，并把所有一个物理核心上有多个虚拟核心的技术都叫做超线程，但这其实是Intel的一个营销名称。而实际上这一类技术的（学术/技术）通行名称是同步多线程（SMT，Simultaneous Multithreading）技术。SMT技术初衷是通过提升CPU核心后端执行单元的利用率，来提升整体的并行性能。

Intel的SMT技术是我们认知最广泛的，早在2002年的Pentium 4上（应该是Pentium 4的E）和Xeon上，Intel就把SMT技术包装成Hyper Threading，并推向市场了。之后因为架构切换，在酷睿诞生初期暂停过一段时间，而自从Core i7 960这个划时代的酷睿后，就一直是Intel中高端CPU的标配了。 Intel的超线程一直都是SMT2，也就是一个物理核心虚拟出两个核心，也就是逻辑核心。 AMD最新的Zen系列CPU，也同样加入了SMT2的超线程，现在超线程技术可以说是PC和服务器CPU的标配了。

想和大家分享几个关于超线程的常见问题：

1、SMT为什么能提升并行性能（多线程性能）？

SMT技术虽然是提升多线程下表现的性能，但SMT实际上是提升CPU单核性能大背景下的“副产品”。 一个单核单线程任务，在CPU的视角上，可以被看作是执行一连串连续的指令。比如说是下面这个例子里，假设执行的就是一个包含10个指令的任务：

任务1 = A1 A2 B1 C1 D1 A3 A4 D2 C2 B2

我们先看最简单的场景，CPU执行这些任务最直接的办法就是一个指令一个指令的执行，假设这些指令的执行周期都是N，那么执行完这些指令，就需要10N个周期。那么CPU的速度就只和CPU的频率相关了，显然这也不符合我们的认知，不同CPU在相同频率下的性能显然不一样。

除了频率以外，要提升CPU的单核性能，第一个常见手段就是尽可能的缩短每个指令执行的周期，不过在我们假设的这个场景中和SMT关系不大，这里就不说了。第二个常见手段就是指令级并行（ILP）。虽然说这个任务1理论上是得一个指令接着一个指令的执行，但实际上这些指令并一定只能这么顺序执行，只要两个指令之间没有相互依赖和冲突，那么就可以并发执行（一起执行），从而缩短总的执行时间。 例如在上面这个例子中，我将指令分组成A B C D四组，组内必须顺序执行，组间的指令完全没有依赖（彼此不依赖对方执行后的数据）和冲突（不共享资源，不是一类操作），那么我们就可以并发执行这些指令。

任务1A：A1 A2 A3 A4
任务1B：B1 B2
任务1C：C1 C2
任务1D：D1 D2

那么我们还是假设每个任务的执行周期是N，可以看到只要我们按照上述分组执行代码，那么整体的执行时间就只取决于最长的一组任务1A，也就是执行时间可以缩短到4N，速度提升到2.5倍。

显然，如果说要在一个CPU核心里同时执行上述几组任务，那么CPU自然得具备至少4组执行端口，这里我们也简化成PA、PB、PC和PD，分别执行上述的1A 1B 1C 1D。所以现代的CPU要提升单核性能，都会尽可能的把后端的执行端口数目变多，并且尽可能的在单位时间内读入更多指令，从而促进指令间的并发。

但是，实际的任务里，指令之间的依赖冲突关系是错综复杂的，不可能完美的将指令均匀的分组到每一个端口上。 就比如说我们上面这个例子里，在并发执行后虽然时间缩短为了4N个周期，但是实际上只有端口PA是一直在工作的，而PB PC PD都会在中途闲下来。

随着单核性能的不断提升，后端执行资源也越来越丰富，这种执行端口闲置的情况就会越来越明显，造成资源浪费。这时候，为了将这些资源物尽其用，同步多线程SMT就应运而生了。SMT的思路是这样的，既然一个任务填不满后端的资源，那么我们就找不只一个任务来填就好了，不同任务之间的相互依赖和冲突情况很低，放到一起来执行正合适去填满后端资源。

我们接着举例子，假设现在有一个新的任务2，同样是10个指令，同样按照端口分组：

任务2 = B‘1 A’1 B‘2 C’1 C‘2 D'1 D’2 D‘3 C’3 A‘2
任务2A = A’1 A’2
任务2B = B’1 B’2
任务2C = C’1 C’2 C’3
任务2D = D'1 D’2 D‘3 

那么在指令级并发的情况下，这个任务的执行时间就是3N。

那么如果把任务1和任务2在单核CPU上分别执行，它们的执行时间就是4N+3N=7N。这时，如果我们引入SMT技术，虚拟出两个核心来，让他们同样在一个核心内执行，依然使用ABCD来表示互相不冲突的指令：

PA：A1 A2 A3 A4 A’1 A’2
PB：B1 B2 B’1 B’2
PC：C1 C2 C’1 C’2 C’3
PD：D1 D2 D'1 D’2 D‘3 

那么这时候整个执行时间就变成了6N，比起之前的7N又提升16.7%的速度。这就是SMT技术为什么能提升多任务并行效率的原因。通过引入SMT，可以更为有效的利用后端的资源。在我们这个例子中，两个任务并发后，只有PB端口空闲了1N个周期。另外SMT技术虚拟出来的核心不一定是2，例如在IBM的Power，Oracle的SPARC，上就SMT8了，我们可以通过引入更多的SMT虚拟核心，来进一步压榨利用率，只不过随着SMT虚拟的核心增多，提升的比率是在下降的。例如在我们上面这个例子中，在6N个周期内，PB只空出了2个周期，PC PD只空了1个周期，这时候再引入一个SMT核心，提升并不会很大了。

当然实际的指令执行情况远比我给的例子复杂，每种指令的执行周期不一样，指令执行中间可能会有IO等待，执行暂停等情况，但是万变不离其宗，SMT的思想就是用不同的任务尽可能填满后端资源，懂了这个例子再考虑这些因素也不难。

2、相比物理多核心，SMT有什么优势？

增加物理核心，以及加入SMT都是提升多任务性能的方式。但为什么现在核心那么多了，还依旧会有SMT？ 因为相比于增加物理核心，使用SMT来的更加廉价。因为SMT提供的是虚拟核心，所有虚拟核心共享很大一部分的资源，通常加入SMT技术只需要在前端额外增加一部分资源（毕竟两个任务是两个上下文）就可以。例如Intel曾经就披露过，奔腾4增加HT技术只需要多花费5%的核心面积，就可以增加15-30%的多线程性能，而如果增加物理核心，增加多少性能，就至少要增加多少比例的核心数量，性价比显然不如SMT。

3、SMT有什么代价？

天下没有免费的午餐，SMT技术带来多线程性能进步的同时，势必也会引入一些负面的影响。大体有如下一些：

1. 多线程维护开销：我们上面的例子中比较理想的展示了SMT的效果，但也没展现出SMT的一些代价。一个物理核心如果引入多个线程，那么是要协调、隔离多个线程的，这会引入额外的开销。所以最理想的情况下，如果一个核心有两个线程，那么两个线程的总执行时间会更快，但是如果细分到每一个线程的执行时间，会比分别执行来的慢一些。
2. 资源冲突：此外，在SMT核心中，因为多个逻辑核心会共享很多资源，如果两个线程的性质比较接近，总是在使用类似的资源，那么它们会遭遇资源冲突。程度轻一点的情况下，互相等待一下就好，多牺牲一点单线程性能，还能保证多线程效率。而差一点的情况就是资源冲突反而导致性能下降，最典型的冲突就是缓存的冲突，一个线程可以用100%的缓存，而超过一个线程使用同一个缓存，可用缓存就不是100%，会导致大量开销极大的缓存-内存换入换出。只要有一个线程是非常吃缓存的，那么加入SMT不但不会提升总的执行效率，反而会降低整体的效率。SMT非常忌讳不同线程的资源冲突，一但冲突SMT就很容易引入反面效果。比如在很多云服务器、HPC服务器上，SMT通常是关闭的，就是因为资源冲突。
3. 线程安全问题：两个线程在同一个核心内执行，是需要严格隔离它们的上下文的，线程A不能访问修改其他线程的资源。线程隔离是一个非常复杂和繁琐的过程，如果隔离不彻底，那么会导致执行错误、以及隐私泄漏的问题。Intel前两年Skylake爆发的若干安全漏洞，就是因为线程隔离不到位造成的。
   导致功耗增加：SMT整体的思路是略微牺牲单核性能/能耗比，换取大多数情况下的多线程时的单核性能和能耗比，那么对应的加入SMT后单核的能耗比会有些许倒退。由于引入SMT会导致核心设计更加复杂，静态功耗、漏电会更难控制，这对于移动设备是致命的。这也是为什么SMT在PC和服务器上大行其道这么多年，手机上几乎看不到的原因。

4、为什么有的核心没有SMT，有的有SMT2，有的有SMT4等？

相信到这里，大家已经明白，SMT是有利有弊的，SMT不是绝对的好，也不是绝对的坏，只有最合适的SMT配置。如果一个核心的后端资源空闲并不多，或者通常的多任务场景任务间冲突比较大，那么SMT就不应该配置或者应该少配置。比如Intel的Atom线最开始在非乱序核心中是有HT的，后面因为引入了乱序执行后，后端已经被填的很慢了，引入SMT的开销会大于其收益，自Silvermont后就没有SMT了。比如说在我们桌面环境下，其实SMT2已经差不多够用了（架构层面&任务层面），再多的SMT只会反向引入开销。

因为现在的多核大战，无论是PC还是手机，多线程性能绝大部分时候都是多余的，除了跑分和极端应用，很少能用到多核性能，要指望它们做更多的虚拟核心，估计近些年是看不到的。

5、你需要关闭SMT吗？

这应该是一个经常被讨论的问题了，我个人的建议是，对于一般消费者，除非你追求极致的单核表现，不然没必要关闭SMT，多数时候打开SMT并不会带来负面的影响。

现代的操作系统在调度上都考虑到了SMT的特性，比如你有8个核心16线程，那么在多任务要求不是很大的情况下，操作系统会尽量避免让一个核心同时执行两个线程。那么那些单核倒退、资源冲突的情况就基本不会发生了。而当多任务要求很高的时候，操作系统让一个核心跑多个线程，这时候虽然可能会发生冲突导致效率反向降低，但是更多的时候是增加效率，所以从期望上来说，是没必要的。

如果追求极致性能且自己确切不需要那么多多线程性能，自然可以关掉。反正也用不到那么多线程，享受不到SMT的好处，还不如索性关了，杜绝一切可能的开销，也更容易超频了。所以其实核心越多的，越适合关闭SMT，至于还在用4核心之类的就别关了。

6、如何辨别哪个核心是虚拟核心，哪个核心是物理核心？

很多人经常问，在Windows的任务管理器里，到底哪个核心是真的，哪个是虚拟的？ 这样可以设置任务相关性，绑定核心。

但其实没有真假之别，一个核心的两个逻辑核心情况下，两个逻辑核心是完全对等的，没有真假之分。无论你使用A逻辑核心还是B逻辑核心都一样，无论你绑定哪个逻辑核心，只要不同时用，那么哪个逻辑核心都约等于是完整占用的物理核心。