【软件系统架构】系列四：多核处理器架构与调度（Deep Dive）

目录

一、多核处理器架构

1.缓存结构与内存一致性

2.超线程技术（Hyper-Threading）

3.多核架构的优势

二、多核架构类型详解

（1）对称多核结构（Symmetric Multi-Processing, SMP）

（2）非对称多核结构（Asymmetric Multi-Processing, AMP）

（3）混合式多核结构（Heterogeneous Multi-Core）

三、多核调度算法与策略

1.调度目标

2.常见调度算法

3.高级调度优化技术

三、多核任务调度机制

（1）全局队列调度（Global Scheduling）

（2）局部队列调度（Local Scheduling）

（3）混合调度（Hybrid Scheduling）

四、多核环境中的挑战与优化策略

五、多核调度实例对比（Linux）

总结：多核调度设计选型建议

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一、多核处理器架构

多核处理器（Multi-core Processor）是指在同一物理芯片内集成两个或多个处理器核心（Core），每个核心可独立执行任务，也可通过操作系统调度并协同工作。

1.缓存结构与内存一致性

• 私有缓存 vs 共享缓存：

  • L1/L2私有缓存：降低核心竞争，提升单核性能（如Intel Core i9的L2缓存为1.25MB/core）。

  • L3共享缓存：减少跨核数据复制，但需解决缓存一致性问题（如MESI协议）。

• 非均匀内存访问（NUMA）： 多插槽服务器中，本地内存访问延迟低于远程内存（如AMD EPYC处理器）。

  • 优化策略：绑定进程到本地NUMA节点（通过numactl工具）。

2.超线程技术（Hyper-Threading）

• 原理：单物理核心模拟多逻辑核心（如Intel i7-12700K的12核20线程）。

• 性能增益：在负载均衡时可提升30%吞吐量，但高竞争场景可能降效。

• 调度挑战：需避免两个线程竞争同一核心的执行单元（如通过Linux的core_sched模块优化）。

3.多核架构的优势

优势	描述
并行计算能力强	支持多个任务同时执行，提高系统吞吐率
功耗更优	相比多个独立CPU，多核处理器单位性能下功耗更低
占板面积小	集成度更高，节省硬件空间
适合多任务环境	多线程和多进程场景下运行效率显著提升

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二、多核架构类型详解

（1）对称多核结构（Symmetric Multi-Processing, SMP）

• 所有核心具有相同的能力（如x86架构的Intel Core i7），适用于通用计算任务（如服务器、桌面系统）。

• 所有核心具有相同的硬件结构与执行能力；

• 使用同一操作系统内核管理所有核心；

• 支持线程或进程在线程池中动态分配给任意核心执行；

• 常用于桌面系统、高性能服务器、边缘AI平台等。

• 优点：负载均衡灵活，开发难度低。

• 缺点：功耗高，不适合移动设备。

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（2）非对称多核结构（Asymmetric Multi-Processing, AMP）

核心能力不同（如ARM的big.LITTLE架构：高性能大核+Cortex-A55小核），适用于能效敏感场景（如智能手机）。

• 各核心具有不同功能或指令集结构；

• 每个核心执行专门指定的任务（如一个主控、一个协处理）；

• 核心间通信和协作由软件手动控制或通过特定硬件机制协调；

• 常用于功耗优化场景，如ARM big.LITTLE 架构（大核+小核组合）。

典型应用：嵌入式系统、移动设备、电源管理、传感控制。

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