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:
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。
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。
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?
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。
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。