操作系统基本概念之线程VS进程，并发VS并行

一、线程VS进程

1.1 基本概念

进程&＃xff0c;是并发执行的程序在执行过程中分配和管理资源的基本单位&＃xff0c;是一个动态概念&＃xff0c;竟争计算机系统资源的基本单位。每一个进程都有一个自己的地址空 间&＃xff0c;即进程空间或&＃xff08;虚空间&＃xff09;。进程空间的大小 只与处理机的位数有关&＃xff0c;一个 16 位长处理机的进程空间大小为 216 &＃xff0c;而 32 位处理机的进程空间大小为 232 。进程至少有 5 种基本状态&＃xff0c;它们是&＃xff1a;初始态&＃xff0c;执行态&＃xff0c;等待状态&＃xff0c;就绪状态&＃xff0c;终止状态。
线程&＃xff0c;在网络或多用户环境下&＃xff0c;一个服务器通常需要接收大量且不确定数量用户的并发请求&＃xff0c;为每一个请求都创建一个进程显然是行不通的&＃xff0c;——无论是从系统资源开销方面或是响应用户请求的效率方面来看。因此&＃xff0c;操作系统中线程的概念便被引进了。线程&＃xff0c;是进程的一部分&＃xff0c;一个没有线程的进程可以被看作是单线程的。线程有时又被称为轻权进程或轻量级进程&＃xff0c;也是 CPU 调度的一个基本单位。

1.2 颗粒度不同的CPU工作时间段的描述

首先来一句概括的总论&＃xff1a;进程和线程都是一个时间段的描述&＃xff0c;是CPU工作时间段的描述。
下面细说背景&＃xff1a;CPU&＃43;RAM&＃43;各种资源&＃xff08;比如显卡&＃xff0c;光驱&＃xff0c;键盘&＃xff0c;GPS, 等等外设&＃xff09;构成我们的电脑&＃xff0c;但是电脑的运行&＃xff0c;实际就是CPU和相关寄存器以及RAM之间的事情。
一个最最基础的事实&＃xff1a;CPU太快&＃xff0c;太快&＃xff0c;太快了&＃xff0c;寄存器仅仅能够追的上他的脚步&＃xff0c;RAM和别的挂在各总线上的设备完全是望其项背。那当多个任务要执行的时候怎么办呢&＃xff1f;轮流着来?或者谁优先级高谁来&＃xff1f;不管怎么样的策略&＃xff0c;一句话就是在CPU看来就是轮流着来。
一个必须知道的事实&＃xff1a;执行一段程序代码&＃xff0c;实现一个功能的过程介绍 &＃xff0c;当得到CPU的时候&＃xff0c;相关的资源必须也已经就位&＃xff0c;就是显卡啊&＃xff0c;GPS啊什么的必须就位&＃xff0c;然后CPU开始执行。这里除了CPU以外所有的就构成了这个程序的执行环境&＃xff0c;也就是我们所定义的程序上下文。当这个程序执行完了&＃xff0c;或者分配给他的CPU执行时间用完了&＃xff0c;那它就要被切换出去&＃xff0c;等待下一次CPU的临幸。在被切换出去的最后一步工作就是保存程序上下文&＃xff0c;因为这个是下次他被CPU临幸的运行环境&＃xff0c;必须保存。
串联起来的事实&＃xff1a;前面讲过在CPU看来所有的任务都是一个一个的轮流执行的&＃xff0c;具体的轮流方法就是&＃xff1a;先加载程序A的上下文&＃xff0c;然后开始执行A&＃xff0c;保存程序A的上下文&＃xff0c;调入下一个要执行的程序B的程序上下文&＃xff0c;然后开始执行B,保存程序B的上下文。。。。
&＃61;&＃61;&＃61;&＃61;&＃61;&＃61;&＃61;&＃61;&＃61; 重要的东西出现了&＃61;&＃61;&＃61;&＃61;&＃61;&＃61;&＃61;&＃61;
进程和线程就是这样的背景出来的&＃xff0c;两个名词不过是对应的CPU时间段的描述&＃xff0c;名词就是这样的功能。

进程就是包换上下文切换的程序执行时间总和 &＃61; CPU加载上下文&＃43;CPU执行&＃43;CPU保存


上下文线程是什么呢&＃xff1f;进程的颗粒度太大&＃xff0c;每次都要有上下的调入&＃xff0c;保存&＃xff0c;调出。如果我们把进程比喻为一个运行在电脑上的软件&＃xff0c;那么一个软件的执行不可能是一条逻辑执行的&＃xff0c;必定有多个分支和多个程序段&＃xff0c;就好比要实现程序A&＃xff0c;实际分成 a&＃xff0c;b&＃xff0c;c等多个块组合而成。那么这里具体的执行就可能变成&＃xff1a;
程序A得到CPU &＃61;》CPU加载上下文&＃xff0c;开始执行程序A的a小段&＃xff0c;然后执行A的b小段&＃xff0c;然后再执行A的c小段&＃xff0c;最后CPU保存A的上下文。
这里a&＃xff0c;b&＃xff0c;c的执行是共享了A的上下文&＃xff0c;CPU在执行的时候没有进行上下文切换的。这里的a&＃xff0c;b&＃xff0c;c就是线程&＃xff0c;也就是说线程是共享了进程的上下文环境的更为细小的CPU时间段。
到此全文结束&＃xff0c;再一个总结&＃xff1a;进程和线程都是一个时间段的描述&＃xff0c;是CPU工作时间段的描述&＃xff0c;不过是颗粒大小不同。

二、并发VS并行

2.1 概念

并发:一个处理器同时处理多个任务。
并行:多个处理器或者是多核的处理器同时处理多个不同的任务。
前者是逻辑上的同时发生&＃xff08;simultaneous&＃xff09;&＃xff0c;而后者是物理上的同时发生。
并发性(concurrency)&＃xff0c;又称共行性&＃xff0c;是指能处理多个同时性活动的能力&＃xff0c;并发事件之间不一定要同一时刻发生。
并行(parallelism)是指同时发生的两个并发事件&＃xff0c;具有并发的含义&＃xff0c;而并发则不一定并行。

2.2 生动比喻

你吃饭吃到一半&＃xff0c;电话来了&＃xff0c;你一直到吃完了以后才去接&＃xff0c;这就说明你不支持并发也不支持并行。
你吃饭吃到一半&＃xff0c;电话来了&＃xff0c;你停了下来接了电话&＃xff0c;接完后继续吃饭&＃xff0c;这说明你支持并发。
你吃饭吃到一半&＃xff0c;电话来了&＃xff0c;你一边打电话一边吃饭&＃xff0c;这说明你支持并行。
并发的关键是你有处理多个任务的能力&＃xff0c;不一定要同时。并行的关键是你有同时处理多个任务的能力。所以我认为它们最关键的点就是&＃xff1a;是否是『同时』。

2.3 大神解释

如果某个系统支持两个或者多个动作&＃xff08;Action&＃xff09;同时存在&＃xff0c;那么这个系统就是一个并发系统。如果某个系统支持两个或者多个动作同时执行&＃xff0c;那么这个系统就是一个并行系统。并发系统与并行系统这两个定义之间的关键差异在于“存在”这个词。
在并发程序中可以同时拥有两个或者多个线程。这意味着&＃xff0c;如果程序在单核处理器上运行&＃xff0c;那么这两个线程将交替地换入或者换出内存。这些线程是同时“存在”的——每个线程都处于执行过程中的某个状态。如果程序能够并行执行&＃xff0c;那么就一定是运行在多核处理器上。此时&＃xff0c;程序中的每个线程都将分配到一个独立的处理器核上&＃xff0c;因此可以同时运行。
我相信你已经能够得出结论——“并行”概念是“并发”概念的一个子集。也就是说&＃xff0c;你可以编写一个拥有多个线程或者进程的并发程序&＃xff0c;但如果没有多核处理器来执行这个程序&＃xff0c;那么就不能以并行方式来运行代码。因此&＃xff0c;凡是在求解单个问题时涉及多个执行流程的编程模式或者执行行为&＃xff0c;都属于并发编程的范畴。

摘自&＃xff1a;《并发的艺术》 — 〔美〕布雷谢斯

2.4 图文并茂

2.4.1 并发与并行的特点

如上图所示&＃xff0c;三段任务A&＃xff0c;B&＃xff0c;C等待被CPU执行
并发时特点&＃xff1a;1. 单处理器&＃xff1b;2. 逻辑上的同步处理。此时&＃xff0c;单处理器&＃xff08;CPU&＃xff09;在三个任务之间来回切换。由于CPU的切换速度很快&＃xff0c;在用户看来&＃xff0c;就像是三个任务在同时进行&＃xff0c;但实际上并没有从根本提升处理三个任务的速度&＃xff0c;只是由于灵活的切换&＃xff0c;可能会减少任务在线程中阻塞的时间。执行完三个任务所需时间为&＃xff1a;t_con &＃61; t_A &＃43; t_B &＃43; t_C。
并行时特点&＃xff1a;1. 多处理器&＃xff1b;2. 物理上的同步处理。此时&＃xff0c;三个处理器同时执行三个任务&＃xff0c;是真正意义上的三个任务同时执行&＃xff08;每个任务依然可能会被不同的CPU执行&＃xff0c;当然&＃xff0c;任务不一定有被其他CPU执行的权限&＃xff09;&＃xff0c;比如CPU1一会儿执行任务A&＃xff0c;一会儿执行任务B&＃xff0c;一会儿执行任务C&＃xff0c;与此同时&＃xff0c;CPU2也一会儿执行任务A&＃xff0c;一会儿执行任务B&＃xff0c;一会儿执行任务C&＃xff09;。假设三个CPU的处理速度一样&＃xff0c;这种情况下&＃xff0c;执行完三个任务所需的时间为&＃xff1a;t_para &＃61; (t_A &＃43; t_B &＃43; t_C) / 3。

2.4.2 咖啡馆中的并发和并行

Erlang 之父 Joe Armstrong 用一张5岁小孩都能看懂的图解释了并发与并行的区别

注意&＃xff1a;并发和并行都有可能是多线程&＃xff0c;CPU在同时执行任务时依然可能存在任务切换&＃xff0c;即并发中可能存在着并行。

2.4.3 并发中可能包含并行

下图反映了一个包含8个操作的任务在一个有两核心的CPU中创建四个线程运行的情况。假设每个核心有两个线程&＃xff0c;那么每个CPU中两个线程会交替并发&＃xff0c;两个CPU之间的操作会并行运算。单就一个CPU而言两个线程可以解决线程阻塞造成的不流畅问题&＃xff0c;其本身运行效率并没有提高&＃xff0c;多CPU的并行运算才真正解决了运行效率问题&＃xff0c;这也正是并发和并行的区别。

两个CPU同时执行任务&＃xff0c;是并发关系。
在两个CPU内部&＃xff0c;各自的两个线程轮流占用CPU资源来执行自己的操作任务&＃xff0c;线程之间是并行关系。