并发和并行知识

只看该作者 · 2023-12-23 16:32

1）CPU时间片
CPU在某个时间点只能处理一个任务，但当前的操作系统基本都支持多任务的，那么计算机在CPU只有一个的情况下是怎么完成多任务处理的呢？想必解决这个问题的西方人到访过古老的东方，见识到了古代中国救济灾民的手段，即赈灾时会给每个灾民分一点点粮食，不至于饿死但又不能吃饱。想必西方人一定是基于此思路，想出了CPU时间片的方法。当然，这只是个玩笑，不过也有这个可能，谁知道呢。

CPU会给每个进程被分配一个时间片，进程得到这个时间片之后才可以运行，使各个程序从表面上看是同时进行的。在时间片结束时即使进程还在运行，CPU的使用权也将会被收回，该进程将会被中断挂起等待下一个时间片。如果进程在时间片结束前阻塞或结束，则CPU当即进行切换，这样就可以避免CPU资源的浪费。

因此可以得知，在我们使用的计算机中启动的多个程序，从宏观上看是同时运行的，从微观上看由于CPU一次只能处理一个进程，所有它们是轮流执行的，只不过切换速度太快，我们感觉不到罢了，因此CPU的核数越多计算机的处理效率越高。

只看该作者 · 2023-12-23 16:33

2）并发和并行
这两个概念都可以笼统的解释为多个进程同时运行，但是他们两个的同时并不是同一个概念。

A. 并发(Concurrency)
并发的同时运行是一个假象，CPU在某一个时间点只能为某一个任务来服务，不可能同时处理多任务，现实中我们看到的同时处理多任务，是广义上的同时处理，这是通过计算机的CPU快速的时间片切换实现的。

计算机在运行过程中，有很多指令会涉及 I/O 操作，而 I/O 操作又是相当耗时的，速度远远低于 CPU，这导致 CPU 经常处于空闲状态，只能等待 I/O 操作完成后才能继续执行后面的指令。为了提高 CPU 利用率，减少等待时间，人们提出了一种 CPU 并发工作的理论。

所谓并发，就是通过一种算法将 CPU 资源合理地分配给多个任务，当一个任务执行 I/O 操作时，CPU 可以转而执行其它的任务，等到 I/O 操作完成以后，或者新的任务遇到 I/O 操作时，CPU 再回到原来的任务继续执行。

下图展示了单核CPU上两个任务并发执行的过程：

图3：单核 CPU 执行两个任务

虽然 CPU 在同一时刻只能执行一个任务，但是通过将 CPU 的使用权在恰当的时机分配给不同的任务，使得多个任务在视觉上看起来是一起执行的。CPU 的执行速度极快，多任务切换的时间也极短，用户根本感受不到，所以并发执行看起来才跟真的一样。

【拓展】操作系统负责将有限的 CPU 资源分配给不同的任务，但是不同操作系统的分配方式不太一样，常见的有：

当检测到正在执行的任务进行 I/O 操作时，就将 CPU 资源分配给其它任务。
将 CPU 时间平均分配给各个任务，每个任务都可以获得 CPU 的使用权。在给定的时间内，即使任务没有执行完成，也要将 CPU 资源分配给其它任务，该任务需要等待下次分配 CPU 使用权后再继续执行。
将 CPU 资源合理地分配给多个任务共同使用，能有效避免 CPU 被某个任务长期霸占的问题，可以极大地提升 CPU 资源利用率。

只看该作者 · 2023-12-23 16:34

B. 并行(Parallelism)
并发是针对单核 CPU 提出的，而并行则是针对多核 CPU 提出的。和单核 CPU 不同，多核 CPU 真正实现了同时执行多个任务，可以在同一时刻同时运行多个进程；并行需要依赖多个硬件资源，单个是无法实现的；并行可以理解为是一个高富帅，出生就有天然的硬件优势，资源多自然办事效率就高。

注意：多核 CPU 内部集成了多个计算核心（Core），每个核心相当于一个简单的 CPU，如果不计较细节，你可以认为给计算机安装了多个独立的 CPU。

多核 CPU 的每个核心都可以独立地执行一个任务，而且多个核心之间不会相互干扰。在不同核心上执行的多个任务，是真正地同时运行，这种状态就叫做并行。

例如，同样是执行两个任务，双核 CPU 的工作状态如下图所示：

图4：双核 CPU 执行两个任务

双核 CPU 执行两个任务时，每个核心各自执行一个任务，和单核 CPU 在两个任务之间不断切换相比，它的执行效率更高。

只看该作者 · 2023-12-23 16:34

C. 并发+并行
上面图 4 中，执行任务的数量恰好等于 CPU 核心的数量，是一种理想状态。但是在实际场景中，处于运行状态的任务是非常多的，尤其是电脑和手机，开机就几十个任务，而 CPU 往往只有 4 核、8 核或者 16 核，远低于任务的数量，这个时候就会同时存在并发和并行两种情况：所有核心都要并行工作，并且每个核心还要并发工作。

例如一个双核 CPU 要执行四个任务，它的工作状态如下图所示：

图5 并发和并行

每个核心并发执行两个任务，两个核心并行的话就能执行四个任务。当然也可以一个核心执行一个任务，另一个核心并发执行三个任务，这跟操作系统的分配方式，以及每个任务的工作状态有关系。

并发针对单核 CPU 而言，它指的是 CPU 交替执行不同任务的能力；并行针对多核 CPU 而言，它指的是多个核心同时执行多个任务的能力。单核 CPU 只能并发，无法并行；换句话说，并行只可能发生在多核 CPU 中。

在多核 CPU 中，并发和并行一般都会同时存在，它们都是提高 CPU 处理任务能力的重要手段。

只看该作者 · 2023-12-28 09:10

并发的同时运行是一个假象，CPU在某一个时间点只能为某一个任务来服务，不可能同时处理多任务，现实中我们看到的同时处理多任务，是广义上的同时处理，这是通过计算机的CPU快速的时间片切换实现的

只看该作者 · 2024-1-25 12:51

并发是针对单核 CPU 提出的，而并行则是针对多核 CPU 提出的。

只看该作者 · 2024-1-26 08:45

并发是指处理器能够支持最大的单位时间请求量，并行是物理上的同步运行。