رابطه بین نوع برنامه نویسی نرم افزار و عمل پردازنده ها

[SajjadKhati]

درود

س1) از کجا بفهمیم که یک نرم افزار از یک ترد استفاده می کنه یا دو ترد به صور همزمان. توی نرم افزارهای بزرگ این مورد نوشته می شه مثل Cinem4D ولی برای خیلی ها نوشته نمی شه

سلامی مجدد بر گلپسر عزیز .
اول اینکه ، حتما باید این پست هایی که نوشتم را بخونی . در واقع این جواب هایی که میدم ، به نوعی مرور اون پست هایی هه که نوشتم . قضیه ی مفصل اش را در پست هایی که در همین تاپیک دادم ، گفتم .

همونطور که گفتم ، برنامه ی Resource Monitor را باز کن (بصورت مجزا یا از در قسمت پایینیِ برنامه ی Task Manager قابل دسترس هه) و در سربرگ اول یا دومِ این برنامه (سربرگ cpu) ، در ستون Threads مینویسه که در حال حاضر ، کدوم پروسه و کدوم برنامه ، چند نخ در حال اجرا داره . (اگه این ستون مشخص نیست ، برنامه را maximize کن) .

دقت کن که نخ ای که در حال اجراست ، به این معنا نیست که کدهای قابل اجرای سنگینی داره و داره پردازنده را مشغول میکنه . نه . یه نخ میتونه در اون لحظه متوقف شده باشه (که کدی اجرا نمیشه) یا اینکه اون نخ کد خاصی در اون لحظه نداشته باشه . مثل نخ اصلی برنامه که رویداد گراست و در صورت وقوع رویدادی ، میتونه کدی اجرا بشه و پردازنده را درگیر کنه .

و همونطور هم که میدونی ، این نخ ها در هر لحظه ممکنه کم یا زیاد بشن (قضیه شو که توضیح دادم) .
هر پروسه ، حداقل 1 نخ در حال اجرا داره که نخ اصلی بهش میگن .
پروسه ای که در سی شارپ ساختی ، حتی اگه خودت هم نخ نسازی ، معمولا بالای 5 نخ داره . این نخ ها توسط clr برای پروسه ی سی شارپ ساخته میشن که همونطور که ماهیت نخ ها را میدونی (و توضیح دادم) ، در هر لحظه ممکنه کم یا زیاد بشن . تو هم اگه نخ ای اضافه کنی ، تا زمانی که نخ ات در حال اجراست ، به همون تعداد نخ ای که ساختی ، در این ستون برای پروسه ات ، تعداد نخ اضافه میشه و بعد از اتمام ، کم میشه .

س2) فرض کنید یک پردازنده 6 هسته ای دارم با فرکانس 3 گیگاهرتز و 12 ترد.

اولا ترد نه .
ترد یا نخ ، یه چیز نرم افزاری هست . چیزی که سیستم عامل باهاش سر و کار داره . پردازنده ، نخ را نمیشناسه . نخ ، چیزی هه که در سی شارپ ، از کلاس Thread ، شی میسازی .
بجای نخ (در قضیه ی پردازنده) ، عبارت "هسته ی منطقی" را استفاده کن .
هر هسته ی منطقی ، در یک زمان ، یک نخ را میتونه اجرا کنه . البته اگه 2 هسته ی منطقی ، درون یک هسته ی فیزیکی باشن (مثل همین پردازنده ای که گفتی) ، اگه از اطلاعات مشترک بخوان استفاده کنن ، در اون زمان ، فقط یک هسته ی منطقی میتونه کد را اجرا کنه .

حالا می خوام چند تا برنامه به طور همزمان باز کنم و این برنامه ها به فرض رندر می کنن.

رندر ، کلمه ای هه که باز هم برای پردازنده معنا نداره . در سطح برنامه و نرم افزار معنا داره .
پردازنده فقط کد را اجرا میکنه .

حالا این نرم افزارها و عمل رندر به کدوم یک از روش هایی که میگم انجام می شه. این حالت ها برای نرم افزارهای 1 تردی یا دو تردی فرق دارن

یه برنامه ، فقط یک نخ یا دو نخ نمیتونه داشته باشه .
بی نهایت نخ میتونه داشته باشه . از 1 نخ تا 100 نخ تا بی نهایت نخ .
کلمه ی "بی نهایت" ، به معنای واقعی کلمه نیست چون هر نخ (و هر چیزی) برای اجرا ، حافظه میخواد و حافظه ی کامپیوتر هم محدود هست .

الف) نرم افزار اول باز شده و در حال رندر کردنه و 2 هسته از سی پی یو رو اشغال می کنه و از هر هسته فقط 2 گیگاهرتز اشغال می کنه. بعد نرم افزار دوم رو باز می کنم و اون هم به دو هسته نیاز داره و چون از هر یک از دو هسته اول یک گیگاهرتز باقی مونده اول اون دو تا یک گیگاهرتز از هتسه اول رو اشغال می کنه و باقی پردازش میره روی هسته های 3 و 4 و همینطور که نرم افزارهای دیگه رو باز می کنم هسته های بعدی درگیر میشن تا 6 هسته پر بشه و 100 درصد پردازنده اشغال بشه


ب) نرم افزار اول باز شده و در حال رندر کردنه و پردازش روی 6 هسته پخش می شه و همینطور که نرم افزارهای بعدی که باز می کنم پردازش اونا هم روی این 6 هسته پخش می شه و به طور کلی این 6 هسته کم کم پر می شه تا 100 درصد پردازنده اشغال بشه.

هیچ کدوم از گزینه های "الف" و "ب" درست نیست .
هر برنامه ای که باز بشه (بعد از پروسه ی طولانی بارگذاری در حافظه ی رم) ، به تعدادِ نخ ای که اون برنامه در اون لحظه برای اجرا داره ، ممکنه (نه همیشه) به تعداد نخ هاش ، در هسته های منطقی مختلفی اون نخ هاش اجرا بشن .
این هسته های منطقی ، مدام در حال سوئیچ روی نخ های مختلف (چه نخ های متفاوتی که در یک پروسه باشه و چه نخ های متفاوت از پروسه های متفاوت) هستند .
هر سوئیچ هم سربار (انتظار) داره .

اما سوئیچ روی نخ های یک پروسه (بخاطر قضیه ای که توضیح داده بودم) ، سربار کمتری داره . سوئیچ در پردازنده های داره Hyper Thread و SMT ، سربار کمتر و بنابراین زودتر انجام میشه . بنابراین تا جایی که پردازنده میتونه ، نخ های یک پروسه را توی یک هسته ی فیزیکی انجام میده مگر اینکه دمای اون هسته بالا بره یا شرایط دیگه ای پیش بیاد تا سوئیچ کنه روی یه هسته ی دیگه . البته این کلمه ی "میتونه" که گفتم ، به معنای بازه ی زمانی خاصی نیست . یا به این معنا نیست که کل کدهای اون نخ را در اون هسته ی فیزیکی اجرا میکنه . این کلمه ی "میتونه" ، ممکنه حتی در حد چند میکرو ثانیه یا میلی ثانیه باشه حتی اگه کد بزرگی برای اجرا داشته باشه . یعنی مثلا اون نخ ممکنه بعد از چند میکروثانیه هم ، از یه هسته ی فیزیکی ، به هسته ی فیزیکی دیگه سوئیچ کنه .

هر هسته ی منطقی هم موقع اجرای کد ، تا حداکثر فرکانس تعیین شده ، کدها را اجرا میکنه .
این رو هم یادت باشه که چیزی که در Task Manager نشون میده که مثلا یک پروسه داره 100 درصد از کارکرد اون هسته ی منطقی را میگیره ، این طور نیست .
یک هسته ی منطقی تا زمانی که اطلاعات مورد نظرش در حافظه ی رجیستر وجود نداشته باشه ، در حال انتظار هست . بنابراین تا زمانی که اطلاعات توی حافظه ی کش یا مخصوصا توی حافظه ی رم وجود داشته باشه ، اون هسته ی منطقی در حال انتظار هست . اگه این انتظار طولانی باشه (مثلا اطلاعات در رم یا page file یا همون حافظه ی مجازی باشه) ، اون هسته ی منطقی ممکنه به نخ دیگه ای سوئیچ کنه .

س3) ما برنامه نویسی موازی داریم. این برنامه نویسی موازی در نرم افزار باعث می شه که عمل رندر با دو سی پی یو همزمان انجام بشه یا اگه سی پی یو 8 هسته ای داشته باشیم روی هر 8 هسته انجام می شه که شاید دیگه نشه بگیم موازی چون به جای دو هسته داره روی 8 هسته انجام می شه.

متوجه ی اون تیکه از صحبتت که رنگی کردم ، نشدم .
از برنامه نویسی موازی ، دقیق اطلاعی ندارم .
توی سی شارپ ، برنامه نویسی موازی که با کلاس Parallel انجام میشه ، فرق خاصی با کلاس Thread نداره جز اینکه کدنویسی اش بهینه تر شده و معمولا ، فقط اندکی (نه زیاده) کدهاش زودتر اجرا میشه .
البته خود مایکروسافت هم اعلام کرده که بجای کلاس Thread ، از کلاس Task استفاده کنیم که کدهاش هم بهینه تر هست و هم ساده تر .
درون Task ، از کلاس Thread (یا نخ Managed که همین کلاس در سی شارپ هست یا نخ Unmanaged که برای سیستم عامل هست) استفاده میشه .
البته خود کلاس Thread در سی شارپ که Managed هست هم از نخ Unmanaged که برای سیستم عامل هست ، استفاده میکنه .


برنامه ها cpu را نمیشناسن .
برنامه ها فقط درخواست اجرای نخ هاشون را به سیستم عامل میدن .
این سیستم عامل هست که اگه صلاح دید ، میگه کدوم نخ برای کدوم هسته ی منطقی برای اجرا ارسال بشه . شاید هم سیستم عامل ، نخ ها را تحویل پردازنده بده و این پردازنده باشه که مشخص کنه که کدوم نخ در کدوم هسته ی منطقی اجرا بشه . دقیق نمیدونم . بنابراین چه یکی cpu و چه دو تا cpu ، برای برنامه ها هیچ فرقی ندارن . اونها cpu رو نمیشناسن . برنامه ها فقط سیستم عامل را میشناسن .

س4) الان بیشتر پردازنده های اینتل مثلا 6 هسته و 6 ترد دارن ولی AMD 6 هسته و 12 ترد داره. و من در جایی خوندم که هر کدوم مزایا و معایبی دارن. بعضی جاها این دو ترد داشتن مهمه و بعضی جا ها تک ترد بودن. می خوم کمی در این رابطه توضیح بدی. اصلا اگه دو ترد داشتن خیلی خوبه چرا اینتل گیر داده به تک ترد روی بیشتر پردازنده هاش.

قطعا 2 هسته ی منطقی به ازای هر هسته ی فیزیکی داشتن (فناوری HT و SMT) (مثل Ryzen 3600) ، بهتر هه .
تک هسته ی منطقی به ازای هر هسته ی فیزیکی (مثل Ryzen 3500) ، برتری ای نداره .
اونی که شما میگید ، عملکرد یک هسته ی فیزیکی هست . نه عملکرد هسته ی منطقی که بنابراین تعداد هسته ی منطقی به ازای هر هسته ی فیزیکی مهم باشه .
چون خیلی از برنامه ها ، از یک نخ (منظورم نخ سنگینی که اجرا و پردازش سنگینی بخواد) و بنابراین از یک هسته ی منطقی استفاده میکنن ، واسه ی همین ، در خیلی از جاها ، عملکرد تک هسته ای را مد نظر قرار میدن .

عملکرد تک هسته ای ، بستگی به نوع برنامه نویسی داره . اگه در برنامه ای که از یک نخ استفاده شده باشه ، معمولا دیگه HT و SMT ، کارایی چندانی نداره . در این صورت فرکانس اون هسته هست که سرعت تک هسته را مشخص میکنه . در این جور مواقع ، فرکانس turbo boost ، بسیار تاثیر گذار هست .
اگه برنامه نویسی در چند نخ انجام بشه ، بسته به این داره که سیستم عامل و پردازنده ، نخ های مختلف را در هسته های منطقی ای که در هسته های فیزیکیِ مجزا قرار دارن یا نه ، اجرا کنن ، عملکردشون هم متفاوت خواهد بود .

چون اجرای دو نخ از یه پروسه در دو هسته ی منطقی ای که در یک هسته ی فیزیکی قرار دارن ، باعث میشه سوئیچ نخ ها در این نوع هسته های منطقی سریعتر انجام بشه اما در عوض در مواردی که حافظه ی اشتراکی بطلبه ، قطعا چون یک هسته ی منطقی در اون زمان میتونه کد را اجرا کنه ، سرعتش از این لحاظ کم میشه اما در هسته های منطقی ای که در هسته های فیزیکی مجزا قرار دارن ، برعکسِ این حالت هست .

اما فکر کنم سیستم عامل یا پردازنده ، میسنجن که اگه اون نخ ، کد سنگینی (یا بهینه ای) بود که اجراش طولانی باشه ، در هسته ی منطقی ای که در هسته ی فیزیکی مجزا قرار داره ، اجراش کنن وگرنه (اگه کدهای نخ ، سبک باشه) در هسته ی منطقی ای که درون یک هسته ی فیزیکی قرار داره ، اجراش کنن (که در این گزینه ی دوم ، سوئیچ سریعتر ، مهمتر هه)

س5) پردازش در سی پی یو ها به صورت صف عمل می کنه یا پشته.

اولا که سیستم عامل ، نخ ها را به اون ترتیبی که گفته بودم (قضیه ی Priority) به پردازنده (هسته های منطقی) ارسال میکنه .
دوما هسته های منطقی ، طبق قضیه ای که گفتم ، عمل میکنن .
در هر لحظه ، بخشی از کدهای یه نخ را اجرا میکنن و طبق محاسباتشون (اینکه چقدر منتظر داده ی جدیدش میمونن تا به اون هسته ی منطقی برسه و یا اینکه چقدر اون هسته گرم شد و ...) متوقف اش میکنن و اطلاعات این نخ را ذخیره میکنن و به نخ دیگه ای سوئیچ میکنن و بخشی از کدهای اون نخ را انجام میدن و این روند همینطور ادامه داره .

س6) خیلی از ویژگی هایی که در پردازنده های اینتل وجود داره در پردازنده های AMD نیست یعنی کاربردی ندارن. (منظورم از ویژگی ها مثلا SSE4.2 هست و امثال این ها )



س7) اگه معماری پردازنده ها رو در نظر بگیریم چه فرقی بین نسل 3000 رایزن و نسل 9 اینتل وجود داره. عمل پردازش اینا به یک شکله یا هر کدوم به شیوه خودشون پردازش می کنن. چون در خیلی جاها من دیدم که اینتل با تعداد هسته کمتر قدرتی تقریبا برابر AMD داره( به طور کلی میگم). کلا یک مقایسه ای وجود داره که بفهمیم معماری که اینتل در پردازنده هاش داره بهتره یا AMD در آخرین نسل.

اگه هر توضیح دیگه ای دارین که به روشن شدن مطلب کمک می کنه یا هر اطلاعات دیگه ای ممنون میشم که راهنمایی کنید.

درباره ی دستورالعمل ها ، اطلاع خاصی ندارم .
ان شاء ا... موفق باشی برای مشاهده این لینک/عکس می بایست عضو شوید ! برای عضویت اینجا کلیک کنید