操作系統的并發

1. 前言

本節內容是從操作系統的層面談并發，本節課程我們需要掌握如下內容：

掌握并發編程的定義，并發編程的定義是了解并發的前提基礎；
從 CPU 談并發誕生的意義，一切語言的基礎都是操作系統，CPU 的并發與 Java 并發息息相關，了解 CPU 對學習并發編程至關重要；
操作系統，進程，線程之間的聯系。本節課程的重點之一，三者之間的聯系有助于對整體上有更加透徹的了解（重點）；
了解什么是進程和線程以及兩者之間的區別。起初學習并發編程的同學對兩者之間的區別區分不明確，進程與線程的區別也是本節課程的重點之一（重點）；
理解串行，并行，并發三種線程執行方式的區別，不同的執行方式會有不同的執行效果。

2. 并發編程的定義

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

意義：開發者通過使用不同的語言，實現并發編程，充分的利用處理器（CPU）的每一個核，以達到最高的處理性能，提升服務器的資源利用率，提升數據的處理速度。

3. 從 CPU 談并發編程

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行通訊的模型。

在緩存出現后不久，系統變得越來越復雜，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，CPU 常常需要等待主存，這樣就會浪費資源。從我們的感官上，計算機可以同時運行多個任務，但是從 CPU 硬件層面上來說，其實是 CPU 執行線程的切換，由于切換頻率非常快，致使我們從感官上感覺計算機可以同時運行多個程序。
為了避免長時間的線程等待，我們一方面提升硬件指標（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，以達到最高的處理性能。

4. 操作系統，進程，線程之間的聯系與區別

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

什么是進程？
官方定義：進程（baiProcess）是計算機中的程序關于某數據集合上的一次運行活動，是系統進行資源分配和調度的基本單位，是操作系統結構的基礎。

Tips：系統進行資源分配和調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，只不過 CPU 在不停的切換工作任務，這里的時間片就是我們所說的系統進行資源分配和調度的基本單位。

那么從定義上感覺非常的抽象，但是進程其實就在我們日常的計算機使用過程中。請看下圖，進入任務管理器看 Windows 操作系統下的進程：

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

線程與進程的區別？

誕生起源：先有進程，后有線程。進程由于資源利用率、公平性和便利性誕生。處理器的速度往往比外設的速度快（鍵盤、鼠標等），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行效率；
概念：進程是資源分配的最小單位。線程是程序執行的最小單位（線程是操作系統能夠進行資源調度的最小單位，同個進程中的線程也可以被同時調度到多個 CPU 上運行），線程也被稱為輕量級進程；
內存共享：默認情況下，進程的內存無法與其他進程共享（進程間通信通過 IPC 進行）。線程共享由操作系統分配給其父進程的內存塊。

5. 串行，并行與并發

串行：順序執行，按步就搬。在 A 任務執行完之前不可以執行 B。

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

并發：穿插執行，減少等待。指多個線程輪流穿插著執行，并發的實質是一個物理 CPU 在若干道程序之間多路復用，其目的是提高有限物理資源的運行效率。

6. 小結

本節課程重點講解了操作系統的并發原理，以及進程和線程之間的區別與聯系。除此之外，理解串行，并行，并發三種線程執行方式的區別尤為重要，對以后的課程學習有很大的幫助。