揭秘M1芯片：macOS如何优化核心分配？

发表时间: 2022-05-18 09:31

作者 | hoakley 译者 | 弯月

出品 | CSDN（ID：CSDNnews）

在传统的多核心处理器中（比如之前Mac型号使用的英特尔CPU），所有的核心都是相同的。将线程分配给核心时，只需要平衡它们的负载即可，这种方式叫做对称式多处理（symmetric multiprocessing，SMP）。

在活动监视器的“CPU历史”窗口中，核心负载（即CPU%）是根据时间显示的，最早的值显示在最左侧。左半边奇数序号的核心是真实的核心，显示了一个8核心英特尔至强W在大负载下的情况。右侧的偶数序号的核心是超线程模拟的虚拟核心，也负责处理大负载。

但苹果芯片的CPU不一样，因为它包含两种不同的核心类型，一种用于高性能（称为性能核心、P核心或Firestorm核心），另一种用于低功耗（称为效率核心、E核心或Icestorm核心）。为了提高效率，线程需要根据核心类型进行分配。这个分配工作可以由应用程序和进程自己控制，比如Asahi Linux；也可以由操作系统负责，比如macOS。在本文中，我们就来看一看macOS是如何管理苹果M1芯片上的核心分配的。这种管理方式叫做非对称式多处理（AMP，不过有人喜欢叫它异质计算）。

架构

M1系列芯片的CPU核心有两种：

E核心，其内部处理单元大约为P核心的一半，最大时钟频率为2064MHz。
P核心，拥有更高的最大频率，原始M1为3204MHz，M1 Pro/Max/Ultra为3228MHz。

M1系列芯片的CPU核心配置方式有三种：

原始M1包含4个E和4个P核心，用于MacBook Air、13寸MacBook Pro、iMac和Mac mini
M1 Pro和Max有2个E和8个P核心，用于14寸和16寸MacBook Pro和Mac Studio Max。
M1 Ultra有4个E和16个P核心，用于Mac Studio Ultra。

一些14寸MacBook Pro笔记本使用了缩水版的M1 Pro芯片，其P核心数量从8个降为6个。

为了简化核心管理，macOS按照功能将核心分成簇，每个簇包含2~4个同类型的核心。可惜，系统级别的核心编号（如powermetrics等工具显示的核心编号）和活动监视器中看到的核心编号是不一样的。为了与后者一致，此处我们采用了活动监视器中看到的核心编号，但簇的编号还是与系统的方式一致。在macOS Monterey 12.3.1中，三个芯片的功能簇如下：

原始的M1中，每种类型的核心只有一个簇，分别为E0和P0，每个簇包含同一类型的4个核心；
M1 Pro和Max有一个簇（E0）包含两个E核心，两个簇（P0和P1）分别包含4个P核心；
M1 Ultra有一个簇（E0）包含4个E核心，四个簇（P0、P1、P2、P3）分别包含4个P核心。

每个簇中的所有核心都运行在同一时钟频率下，而且通常（但并非所有情况下）会保持簇内的负载平衡。偶尔，负载分配会不均匀，某些极端情况下，一些线程可能会被分配到簇内的单一核心上。

线程控制

与Asashi Linux不同，macOS并不支持直接访问核心、核心类型或簇，至少公开的API并没有提供这些功能。通常，它们需要通过服务质量（QoS）设置中的Grand Central Dispatch来管理，macOS使用该功能来决定线程管理的策略。

最低QoS的线程只会在E簇上运行，而更高QoS的核心可以分配到E或P核心商。后者的行为可以通过taskpolicy命令行工具或setpriority()函数动态修改。这些工具可以限制高QoS线程只能在E和核心上运行，也可以在E或P核心上运行。但是，它们并不能改变最低QoS线程的规则，这些线程只能在E核心上运行。

macOS本身采用的策略是绝大部分后台任务都以最低QoS运行。这些任务包括自动的时间机器备份、Spotlight索引维护等。归档工具（Archive Utility）的压缩和解压缩任务也在其中，例如，如果下载了xip格式的Xcode，解压缩就会花费很长时间，因为代码只能在E核心上运行，而且没办法改变。

后台线程

最低QoS线程在原始M1和M1 Pro/Max芯片上的加载和运行方式不同，因为两者的E簇大小不一样。

原始的M1芯片有4个E核心，因此QoS 9的线程运行时，时钟频率会设置为大约1000MHz（1GHz）。而只有两个E核心的M1 Pro/Max采用了不同的做法：如果只有一个线程，则以1000MHz左右的频率在簇上运行，但如果有两个或更多线程，则频率提高到2064MHz。这样可以保证M1 Pro/Max的E簇能在簇大小不同的情况下，用差不多的功耗，提供至少相当于原始M1的后台任务性能。

一个常见的例外是，某些拥有最低QoS的线程的进程（如backupd）还会受到I/O的制约，这样的线程在M1 Pro/Max上会以1000MHz的频率运行。

用户线程

所有QoS高于9的线程的处理方式都差不多，但队列的优先级不同会导致不同的结果。

由于高QoS的线程可以在任意类型的簇上运行，因此M1和M1 Pro/Max的管理方式不一样。原始的M1只有一个P簇，因此每次最多可以将8个线程分配到两个簇上，每个簇运行4个线程。当线程数小于等于4个时，就会尽量全部分配到P簇上运行，只有当队列中存在更多高QoS线程时才用到E簇。P核心的执行频率大约为3GHz，而E核心为2GHz，大约是运行QoS 9线程时的频率的两倍。

M1 Pro和Max芯片一共有三个簇，其中两个簇每个包含4个P核心，另一个簇包含两个E核心。队列里的前4个线程会分配到第一个P簇（P0）；如果存在线程5~8，就会分配到第二个P簇（P1），否则第二个P簇空闲，以降低功耗。如果队列中还有更多线程，就会分配到E核心上。每种核心类型的最大频率分别为：P0、P1为3228MHz，E0为2064MHz。

M1 Ultra芯片一共有五个簇，每个簇有四个核心。其策略和M1 Pro/Max芯片一样，但会在所有四个P簇都被使用的情况下才会使用E0。

但是有两种情况，代码看起来像是仅在一个核心上运行：在引导过程中，操作系统内核初始化并运行其他核心之前，代码只会在一个活跃的E核心上运行。另一种情况是在安装macOS更新之前、“准备”下载更新的时候。在M1 Pro/Max芯片上，五个线程分配到相当于一个核心的资源，因此可以看到CPU使用率为100%，但被限制到一个P核心上，即第二个P簇（P0）中的第一个核心（下图中的Core 3）。