操作系统的并发

1. 前言

本节内容是从操作系统的层面谈并发，本节课程我们需要掌握如下内容：

• 掌握并发编程的定义，并发编程的定义是了解并发的前提基础；
• 从 CPU 谈并发诞生的意义，一切语言的基础都是操作系统，CPU 的并发与 Java 并发息息相关，了解 CPU 对学习并发编程至关重要；
• 操作系统，进程，线程之间的联系。本节课程的重点之一，三者之间的联系有助于对整体上有更加透彻的了解（重点）；
• 了解什么是进程和线程以及两者之间的区别。起初学习并发编程的同学对两者之间的区别区分不明确，进程与线程的区别也是本节课程的重点之一（重点）；
• 理解串行，并行，并发三种线程执行方式的区别，不同的执行方式会有不同的执行效果。

2. 并发编程的定义

定义： 所谓并发编程是指在一台处理器上 “同时” 处理多个任务。并发是在同一实体上的多个事件，多个事件在同一时间间隔发生。

意义：开发者通过使用不同的语言，实现并发编程，充分的利用处理器（CPU）的每一个核，以达到最高的处理性能，提升服务器的资源利用率，提升数据的处理速度。

3. 从 CPU 谈并发编程

首先看下图，图中展示了最简单的 CPU 核心通过缓存与主存进行通讯的模型。

在缓存出现后不久，系统变得越来越复杂，缓存与主存之间的速度差异被拉大，由于 CPU 的频率太快了，快到主存跟不上，这样在线程处理器时钟周期内，CPU 常常需要等待主存，这样就会浪费资源。从我们的感官上，计算机可以同时运行多个任务，但是从 CPU 硬件层面上来说，其实是 CPU 执行线程的切换，由于切换频率非常快，致使我们从感官上感觉计算机可以同时运行多个程序。
为了避免长时间的线程等待，我们一方面提升硬件指标（如多级高速缓存的诞生，这里不做讨论），另一方面引入了并发概念，充分的利用处理器（CPU）的每一个核，减少 CPU 资源等待的时间，以达到最高的处理性能。

4. 操作系统，进程，线程之间的联系与区别

我们首先来看看，三者之间的关系，从图中可以看到，操作系统是包含多个进程的容器，而每个进程又是容纳多个线程的容器。

什么是进程？
官方定义： 进程（baiProcess）是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础。

Tips：系统进行资源分配和调度的基本单位其实就是 CPU 时间片的切换，一个 CPU 同一时间只能操作一个任务，只不过 CPU 在不停的切换工作任务，这里的时间片就是我们所说的系统进行资源分配和调度的基本单位。

那么从定义上感觉非常的抽象，但是进程其实就在我们日常的计算机使用过程中。请看下图，进入任务管理器看 Windows 操作系统下的进程：

什么是线程？
官方定义: 线程是操作系统能够进行资源调度的最小单位，它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位，每个线程执行的都是进程代码的某个片段，特定的线程总是在执行特定的任务。

线程与进程的区别？

• 诞生起源：先有进程，后有线程。进程由于资源利用率、公平性和便利性诞生。处理器的速度往往比外设的速度快（键盘、鼠标等），为了提高 CPU 的利用率，诞生了线程，目的就是为了提高程序的执行效率；
• 概念：进程是资源分配的最小单位。 线程是程序执行的最小单位（线程是操作系统能够进行资源调度的最小单位，同个进程中的线程也可以被同时调度到多个 CPU 上运行），线程也被称为轻量级进程；
• 内存共享：默认情况下，进程的内存无法与其他进程共享（进程间通信通过 IPC 进行）。 线程共享由操作系统分配给其父进程的内存块。

5. 串行，并行与并发

串行：顺序执行，按步就搬。在 A 任务执行完之前不可以执行 B。

并行：同时执行，多管齐下。指两个或两个以上事件或活动在同一时刻发生。在多道程序环境下，并行性使多个程序同一时刻可在不同 CPU 核心上同时执行。

并发：穿插执行，减少等待。指多个线程轮流穿插着执行，并发的实质是一个物理 CPU 在若干道程序之间多路复用，其目的是提高有限物理资源的运行效率。

6. 小结

本节课程重点讲解了操作系统的并发原理，以及进程和线程之间的区别与联系。除此之外，理解串行，并行，并发三种线程执行方式的区别尤为重要，对以后的课程学习有很大的帮助。