處理器能力
摘要：處理器能力
3.2. 處理器能力
處理器能力又稱為 CPU 能力（CPU power）、CPU 週期（CPU cycle）、或其他名稱，指得是電腦處理資料的能力。處理器能力跟 CPU 架構（還有時脈速度）有關 — 通常時脈速度愈高、能處理位元數愈大的處理器，速度會比時脈速度低、位元數小的電腦要來得快。
3.2.1. 處理器能力的兩三事
處理器有兩個特點，是我們必須牢記在心的：
3.2. 處理器能力
處理器能力又稱為 CPU 能力（CPU power）、CPU 週期（CPU cycle）、或其他名稱，指得是電腦處理資料的能力。處理器能力跟 CPU 架構（還有時脈速度）有關 — 通常時脈速度愈高、能處理位元數愈大的處理器，速度會比時脈速度低、位元數小的電腦要來得快。
3.2.1. 處理器能力的兩三事
處理器有兩個特點，是我們必須牢記在心的：
處理器的能力是固定的
您不能把處理器能力儲存起來
處理器能力是固定的，CPU 能跑多快，就是多快。舉例來說，如果您要電腦把兩個數字相加（在大部分電腦架構上，這只要一個機器指令就可以完成），CPU 只會用某個固定的速度完成指令。除了少數例外，您不能「降低」CPU 處理指令的速率，更不用說是增加速率了。
處理器能力在另一方面也是固定的：它是有限的。每台電腦能插上的 CPU 種類都有限制。有些電腦支援多種速度、多款 CPU；而有些電腦的 CPU 則根本不能升級[1]。
處理器能力不能儲存起來，留待之後再用。也就是說，假設 CPU 每秒可以處理一億個指令，那麼如果 CPU 閒置了一秒，那這每秒一億個指令的儲存能力，就算浪費了。
如果換個角度看這些限制，那麼 CPU 是以一個固定速率，「生產」一連串可執行的指令。既然 CPU 「生產」指令，那就表示有其他東西「消費」這些指令。接下來我們就來看看這些消費者是誰。
3.2.2. 處理器能力的消費者
處理器能力有兩大消費者：
應用程式
作業系統本身
3.2.2.1. 應用程式
處理器能力最明顯的消費者，就是您希望電腦為您執行的應用程式與軟體。從試算表到資料庫，這些應用程式正是您買電腦的原因。
單 CPU 每次只能處理一件事。因此，如果您的應用程式正在執行，系統上的其他程式就不能使用處理器資源，反之亦然 — 如果電腦正在執行其他程式，您的應用程式就處於閒置狀態。
但為什麼現在的作業系統都標榜，一次可以執行很多個應用程式呢？這答案是因為：它們都是多工的作業系統。換句話說，這些作業系統會製造一種假象，好像所有工作都是同時運行的。這訣竅是把 CPU 每秒鐘的執行能力分成許多等分，此刻執行這個程式，下一刻又執行另一個程式。如果這環境切換（context switch，又稱內容切換）的次數夠頻繁，看起來就像同時執行好幾個應用程式一樣。
當然，應用程式不只用 CPU 來處理資料，還會停在那裡等使用者輸入資料，或對硬碟、螢幕等裝置做輸入輸出的動作。當這些動作發生時，應用程式是不需要用到 CPU 的。像這種時候，CPU 就可以空出來給其他程式使用，避免讓其他程式空等。
除此之外，CPU 還有另一個消費者會消耗處理器能力：那就是作業系統本身。
3.2.2.2. 作業系統
作業系統到底會佔據多少處理器能力，不是很容易界定的。這原因出在作業系統混合了程序等級（process-level）與系統等級（system-level）的程式碼，以完成工作。例如您可以很輕易地用程序監控程式，看看執行 系統程式（daemon） 或 服務（service） 的程序到底在做什麼；但要看出系統等級的 I/O 處理耗去了多少 CPU 資源（通常這工作是由發出 I/O 需求的程序所完成），那就不是件容易的事情。
一般來說，我們可以把這種作業系統負荷分成兩類：
作業系統的自身管理
與行程有關的活動
作業系統的自身管理包括行程排程與記憶體管理；而與行程有關的活動，則包括任何支援作業系統的行程，例如紀錄系統日誌或清除 I/O 快取的行程都是。
3.2.3. 改進 CPU 效能短缺的問題
當處理器能力不足以支應您要執行的工作時，您有兩個選擇：
降低負載
升級
3.2.3.1. 降低負載
降低負載的好處，是不用花上一毛錢。方法是找出造成系統負載中，您能控制的項目，然後把它關閉即可。您可以著重在三個方面：
降低作業系統負載
降低應用程式負載
移除整個應用程式
3.2.3.1.1. 降低作業系統負載
要降低作業系統負載，您得先檢視目前作業系統的負荷，然後找出是什麼程式索求無度，讓作業系統異常忙碌。這些領域包括：
降低經常性行程的排程需求
降低 I/O 的數量
不要祈禱奇蹟出現。在合理範圍內設定良好的系統上，降低作業系統負載並不會讓效能大幅增加。這是因為所謂「在合理範圍內設定良好的系統」的定義，指得就是負載最陽春的系統。不過，如果您的電腦記憶體太少，多加些記憶體可以降低系統負荷。
3.2.3.1.2. 降低應用程式負載
降低應用程式負載，指的是確定所有應用程式有一切需要的資源。有些應用程式在不同的環境中，表現大不相同 — 例如有些應用程式在處理特定資料時，會大量消耗運算資源；但處理其他資料時不會。
在這兒要記住的是，要讓應用程式有效率的運作，您就要對它們有更進一步的了解。通常，跟使用者與（或）公司裡的程式設計師一起合作，能找出讓應用程式更有效率的方法。
3.2.3.1.3. 移除整個應用程式
這方法不見得適用於您的組織，完全看情況而定；因為通常要執行什麼應用程式，不在系統管理者的管轄範圍內。不過，如果您能找出哪些應用程式「佔著茅坑不拉屎」，霸佔著 CPU 不放，您就可以發揮些許影響力，強迫這些軟體退休。
這麼做會牽一髮而動全身，不是您一個人的事情；凡是會受到影響的使用者，都應該參與這整個過程。通常這些人有足夠的知識以及政治影響力，幫助您改善應用程式的狀況。
提示
記得，您不一定要把某個應用程式從公司的所有電腦上移除。您只需要把對 CPU 資源索求無度的軟體，從高負載的系統，移到低負載的系統即可。
3.2.3.2. 升級
如果不能降低使用量，那就只好增加處理器的處理能力。這方法要花錢，卻是可行的方案。
3.2.3.2.1. CPU 升級
最直接的方法，是看看能不能把電腦上的 CPU 升級。第一步，先確定能不能拔下目前的 CPU。有些電腦（尤其是筆記型電腦）的處理器焊在主機板上，升級無望。其他使用插槽的處理器，就可以升級 — 至少理論上可以。
接下來，您就得做些研究，看能不能找到更快的處理器，同時系統也要支援。舉個例子，如果您目前 CPU 的速度為 1GHz，市面上還找得到同型的 2GHz 處理器，那應該就可以升級。
最後，記得檢查系統的最高時脈速度為何。延續剛剛的例子，即使您可以找到同款的 2GHz 處理器，如果您電腦的時脈只支援 1GHz 以下的處理器，那麼換上新的 CPU 是沒有用的。
如果您無法安裝新的處理器，那麼可能就只有換掉主機板，甚至是之前提到的「堆高機升級」一途了。
不過，有些電腦提供了另一種升級方法。與其換掉目前的 CPU，為什麼不乾脆再加一顆呢？
3.2.3.2.2. 對稱式多重處理適合您嗎？
對稱式多重處理（SMP，Symmetric multiprocessing）可以讓一顆以上的處理器，共享所有系統資源。跟單處理器的電腦不同的是，多處理器的電腦可以在同一時間，執行多個程序。
乍看之下，這似乎是系統管理者夢寐以求的功能。最重要的是，即使主機板不支援更高的時脈，SMP 還是能有效提昇 CPU 效能 — 多加 CPU 就對了。不過，這種彈性並不是十全十美的。
首先，並不是所有的電腦都支援 SMP；您得有一張支援多處理器的主機板才行。如果沒有的話，您至少得先升級主機板。
其次，SMP 本身也會增加系統負荷。仔細想想，這並不無道理：作業系統必須花更多的 CPU 週期，把工作分配到更多的處理器上。另一方面，CPU 更多也意味著爭奪系統資源的情形就愈嚴重。基於這幾個原因，從雙 CPU 升級到四 CPU 並不會讓整體的處理器效能加倍。事實上，根據實際硬體、工作量、以及處理器架構的不同，您一直為電腦系統增加處理器，遲早會出現反效果，系統效能反而會「降低」。
還有一點要記住的，是 SMP 對於一次發出大量連串指令的大型應用程式，無法提昇其工作效率。換句話說，如果有個專司運算的模擬程式以程序型態執行，也不使用任何執行緒，那麼在 SMP 機器上，它的速度不會比單處理器還快；事實上，如果把 SMP 本身的負荷也算進去，那麼速度會更慢。也因為如此，當談到處理器能力的問題時，許多系統管理者寧願使用單處理器的電腦：限制少，CPU 的能力反而能充分發揮出來。
剛剛的這些討論，好像說明了 SMP 不是個好主意；不過還是有適用 SMP 的環境。舉例來說，多個運算型的程式一起執行，就適合交給 SMP 處理。這是因為這些程式一直著重在運算上，讓 CPU 忙碌；但卻比較不會跟其他程序爭奪資源，作業系統的負荷也較低。
還有一點要注意的，就是當系統負荷增加時，SMP 系統的效能下降較慢。這是因為多種程序混合在一起處理時，對 SMP 系統負載的影響較低。這也是 SMP 在伺服器與多使用者環境間，較受歡迎的原因。
注
[1]
這種情況有個很幽默的名詞，叫做堆高機升級（forklift upgrade），意思是換掉整台電腦。
