操作系統(tǒng)的并發(fā)

1. 前言

本節(jié)內(nèi)容是從操作系統(tǒng)的層面談并發(fā)，本節(jié)課程我們需要掌握如下內(nèi)容：

• 掌握并發(fā)編程的定義，并發(fā)編程的定義是了解并發(fā)的前提基礎(chǔ)；
• 從 CPU 談并發(fā)誕生的意義，一切語言的基礎(chǔ)都是操作系統(tǒng)，CPU 的并發(fā)與 Java 并發(fā)息息相關(guān)，了解 CPU 對學(xué)習(xí)并發(fā)編程至關(guān)重要；
• 操作系統(tǒng)，進(jìn)程，線程之間的聯(lián)系。本節(jié)課程的重點(diǎn)之一，三者之間的聯(lián)系有助于對整體上有更加透徹的了解（重點(diǎn)）；
• 了解什么是進(jìn)程和線程以及兩者之間的區(qū)別。起初學(xué)習(xí)并發(fā)編程的同學(xué)對兩者之間的區(qū)別區(qū)分不明確，進(jìn)程與線程的區(qū)別也是本節(jié)課程的重點(diǎn)之一（重點(diǎn)）；
• 理解串行，并行，并發(fā)三種線程執(zhí)行方式的區(qū)別，不同的執(zhí)行方式會有不同的執(zhí)行效果。

2. 并發(fā)編程的定義

定義： 所謂并發(fā)編程是指在一臺處理器上 “同時” 處理多個任務(wù)。并發(fā)是在同一實體上的多個事件，多個事件在同一時間間隔發(fā)生。

意義：開發(fā)者通過使用不同的語言，實現(xiàn)并發(fā)編程，充分的利用處理器（CPU）的每一個核，以達(dá)到最高的處理性能，提升服務(wù)器的資源利用率，提升數(shù)據(jù)的處理速度。

3. 從 CPU 談并發(fā)編程

首先看下圖，圖中展示了最簡單的 CPU 核心通過緩存與主存進(jìn)行通訊的模型。

在緩存出現(xiàn)后不久，系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，緩存與主存之間的速度差異被拉大，由于 CPU 的頻率太快了，快到主存跟不上，這樣在線程處理器時鐘周期內(nèi)，CPU 常常需要等待主存，這樣就會浪費(fèi)資源。從我們的感官上，計算機(jī)可以同時運(yùn)行多個任務(wù)，但是從 CPU 硬件層面上來說，其實是 CPU 執(zhí)行線程的切換，由于切換頻率非?？欤率刮覀儚母泄偕细杏X計算機(jī)可以同時運(yùn)行多個程序。
為了避免長時間的線程等待，我們一方面提升硬件指標(biāo)（如多級高速緩存的誕生，這里不做討論），另一方面引入了并發(fā)概念，充分的利用處理器（CPU）的每一個核，減少 CPU 資源等待的時間，以達(dá)到最高的處理性能。

4. 操作系統(tǒng)，進(jìn)程，線程之間的聯(lián)系與區(qū)別

我們首先來看看，三者之間的關(guān)系，從圖中可以看到，操作系統(tǒng)是包含多個進(jìn)程的容器，而每個進(jìn)程又是容納多個線程的容器。

什么是進(jìn)程？
官方定義： 進(jìn)程（baiProcess）是計算機(jī)中的程序關(guān)于某數(shù)據(jù)集合上的一次運(yùn)行活動，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位，是操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。

Tips：系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位其實就是 CPU 時間片的切換，一個 CPU 同一時間只能操作一個任務(wù)，只不過 CPU 在不停的切換工作任務(wù)，這里的時間片就是我們所說的系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位。

那么從定義上感覺非常的抽象，但是進(jìn)程其實就在我們?nèi)粘５挠嬎銠C(jī)使用過程中。請看下圖，進(jìn)入任務(wù)管理器看 Windows 操作系統(tǒng)下的進(jìn)程：

什么是線程？
官方定義: 線程是操作系統(tǒng)能夠進(jìn)行資源調(diào)度的最小單位，它被包含在進(jìn)程之中，是進(jìn)程中的實際運(yùn)作單位，每個線程執(zhí)行的都是進(jìn)程代碼的某個片段，特定的線程總是在執(zhí)行特定的任務(wù)。

線程與進(jìn)程的區(qū)別？

• 誕生起源：先有進(jìn)程，后有線程。進(jìn)程由于資源利用率、公平性和便利性誕生。處理器的速度往往比外設(shè)的速度快（鍵盤、鼠標(biāo)等），為了提高 CPU 的利用率，誕生了線程，目的就是為了提高程序的執(zhí)行效率；
• 概念：進(jìn)程是資源分配的最小單位。 線程是程序執(zhí)行的最小單位（線程是操作系統(tǒng)能夠進(jìn)行資源調(diào)度的最小單位，同個進(jìn)程中的線程也可以被同時調(diào)度到多個 CPU 上運(yùn)行），線程也被稱為輕量級進(jìn)程；
• 內(nèi)存共享：默認(rèn)情況下，進(jìn)程的內(nèi)存無法與其他進(jìn)程共享（進(jìn)程間通信通過 IPC 進(jìn)行）。 線程共享由操作系統(tǒng)分配給其父進(jìn)程的內(nèi)存塊。

5. 串行，并行與并發(fā)

串行：順序執(zhí)行，按步就搬。在 A 任務(wù)執(zhí)行完之前不可以執(zhí)行 B。

并行：同時執(zhí)行，多管齊下。指兩個或兩個以上事件或活動在同一時刻發(fā)生。在多道程序環(huán)境下，并行性使多個程序同一時刻可在不同 CPU 核心上同時執(zhí)行。

并發(fā)：穿插執(zhí)行，減少等待。指多個線程輪流穿插著執(zhí)行，并發(fā)的實質(zhì)是一個物理 CPU 在若干道程序之間多路復(fù)用，其目的是提高有限物理資源的運(yùn)行效率。

6. 小結(jié)

本節(jié)課程重點(diǎn)講解了操作系統(tǒng)的并發(fā)原理，以及進(jìn)程和線程之間的區(qū)別與聯(lián)系。除此之外，理解串行，并行，并發(fā)三種線程執(zhí)行方式的區(qū)別尤為重要，對以后的課程學(xué)習(xí)有很大的幫助。