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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。
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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。

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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:
图片描述
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。
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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。