操作系統(tǒng)上并行和并發(fā)的區(qū)別

理解并發(fā)、并行的例子

先舉例子來理解這2個(gè)概念的區(qū)別。

老師讓兩個(gè)同學(xué)去辦公室談話。如果這兩同學(xué)(進(jìn)程)是并列跨過辦公室門(CPU)的，那么就是并行。如果同學(xué)A先進(jìn)同學(xué)B后進(jìn)入(或者先B后A)，或者兩人并列同時(shí)進(jìn)入，但是在辦公室外的路人甲(用戶)看來，同學(xué)A和同學(xué)B同時(shí)都在辦公室內(nèi)，這是并發(fā)。

其實(shí)這個(gè)例子不合理，因?yàn)檎嬲牟⑿惺嵌嗪薈PU下的概念，但上面這個(gè)簡單的例子非常有助于理解。

如果舉例要精確一點(diǎn)，那么大概是這樣的：進(jìn)辦公室有兩個(gè)門(兩CPU)，如果兩同學(xué)分別從不同的門進(jìn)入，不管先后性，兩者互相獨(dú)立，那么是并行；如果兩同學(xué)不管以什么方式進(jìn)入，在路人甲看來，他兩同時(shí)都在辦公室內(nèi)，就是并發(fā)。

我不信到現(xiàn)在還不理解并發(fā)和并行。

并發(fā)和并行的理論性解釋

為什么操作系統(tǒng)上可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序而用戶感覺不出來？

這是因?yàn)闊o論是單CPU還是多CPU，操作系統(tǒng)都營造出了可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序的假象。實(shí)際的過程操作系統(tǒng)對(duì)進(jìn)程的調(diào)度以及CPU的快速上下文切換實(shí)現(xiàn)的：每個(gè)進(jìn)程執(zhí)行一會(huì)就先停下來，然后CPU切換到下個(gè)被操作系統(tǒng)調(diào)度到的進(jìn)程上使之運(yùn)行。因?yàn)榍袚Q的很快，使得用戶認(rèn)為操作系統(tǒng)一直在服務(wù)自己的程序。

再來解釋并發(fā)就容易理解多了。

并發(fā)(concurrent)指的是多個(gè)程序可以同時(shí)運(yùn)行的現(xiàn)象，更細(xì)化的是多進(jìn)程可以同時(shí)運(yùn)行或者多指令可以同時(shí)運(yùn)行。但這不是重點(diǎn)，在描述并發(fā)的時(shí)候也不會(huì)去扣這種字眼是否精確，并發(fā)的重點(diǎn)在于它是一種現(xiàn)象。并發(fā)描述的是多進(jìn)程同時(shí)運(yùn)行的現(xiàn)象。但實(shí)際上，對(duì)于單核心CPU來說，同一時(shí)刻只能運(yùn)行一個(gè)進(jìn)程。所以，這里的"同時(shí)運(yùn)行"表示的不是真的同一時(shí)刻有多個(gè)進(jìn)程運(yùn)行的現(xiàn)象，這是并行的概念，而是提供一種功能讓用戶看來多個(gè)程序同時(shí)運(yùn)行起來了，但實(shí)際上這些程序中的進(jìn)程不是一直霸占CPU的，而是執(zhí)行一會(huì)停一會(huì)。

所以，并發(fā)和并行的區(qū)別就很明顯了。它們雖然都說是"多個(gè)進(jìn)程同時(shí)運(yùn)行"，但是它們的"同時(shí)"不是一個(gè)概念。并行的"同時(shí)"是同一時(shí)刻可以多個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行(處于running)，并發(fā)的"同時(shí)"是經(jīng)過上下文快速切換，使得看上去多個(gè)進(jìn)程同時(shí)都在運(yùn)行的現(xiàn)象，是一種OS欺騙用戶的現(xiàn)象。

實(shí)際上，當(dāng)程序中寫下多進(jìn)程或多線程代碼時(shí)，這意味著的是并發(fā)而不是并行。并發(fā)是因?yàn)槎噙M(jìn)程/多線程都是需要去完成的任務(wù)，不并行是因?yàn)椴⑿信c否由操作系統(tǒng)的調(diào)度器決定，可能會(huì)讓多個(gè)進(jìn)程/線程被調(diào)度到同一個(gè)CPU核心上。只不過調(diào)度算法會(huì)盡量讓不同進(jìn)程/線程使用不同的CPU核心，所以在實(shí)際使用中幾乎總是會(huì)并行，但卻不能以100%的角度去保證會(huì)并行。也就是說，并行與否程序員無法控制，只能讓操作系統(tǒng)決定。

再次注明，并發(fā)是一種現(xiàn)象，之所以能有這種現(xiàn)象的存在，和CPU的多少無關(guān)，而是和進(jìn)程調(diào)度以及上下文切換有關(guān)的。

理解了概念，再來深入擴(kuò)展下。

串行、并行和并發(fā)

任務(wù)描述

如圖：

任務(wù)是將左邊的一堆柴全部搬到右邊燒掉，每個(gè)任務(wù)包括三個(gè)過程：取柴，運(yùn)柴，放柴燒火。

這三個(gè)過程分別對(duì)應(yīng)一個(gè)函數(shù)：

串行模式

串行表示所有任務(wù)都一一按先后順序進(jìn)行。串行意味著必須先裝完一車柴才能運(yùn)送這車柴，只有運(yùn)送到了，才能卸下這車柴，并且只有完成了這整個(gè)三個(gè)步驟，才能進(jìn)行下一個(gè)步驟。

和稍后所解釋的并行相對(duì)比，串行是一次只能取得一個(gè)任務(wù)，并執(zhí)行這個(gè)任務(wù)。

假設(shè)這堆柴需要運(yùn)送4次才能運(yùn)完，那么當(dāng)寫下的代碼類似于下面這種時(shí)，那么就是串行非并發(fā)的模式：

或者，將三個(gè)過程的代碼全部集中到一個(gè)函數(shù)中也是如此：

這兩種都是串行的代碼模式。畫圖描述：

并行模式

并行意味著可以同時(shí)取得多個(gè)任務(wù)，并同時(shí)去執(zhí)行所取得的這些任務(wù)。并行模式相當(dāng)于將長長的一條隊(duì)列，劃分成了多條短隊(duì)列，所以并行縮短了任務(wù)隊(duì)列的長度。

正如前面所舉的兩同學(xué)進(jìn)辦公室的例子，串行的方式下，必須1個(gè)同學(xué)進(jìn)入后第二個(gè)同學(xué)才進(jìn)入，隊(duì)列長度為2，而并行方式下可以同時(shí)進(jìn)入，隊(duì)列長度減半了。

并行的效率從代碼層次上強(qiáng)依賴于多進(jìn)程/多線程代碼，從硬件角度上則依賴于多核CPU。

對(duì)于單進(jìn)程/單線程，由于只有一個(gè)進(jìn)程/線程在執(zhí)行，所以盡管同時(shí)執(zhí)行所取得的多個(gè)任務(wù)，但實(shí)際上這個(gè)進(jìn)程/線程是不斷的在多任務(wù)之間切換，一會(huì)執(zhí)行一下這個(gè)，一會(huì)執(zhí)行一下那個(gè)，就像是一個(gè)人在不同地方之間來回奔波。所以，單進(jìn)程/線程的并行，效率比串行更低。

對(duì)于多進(jìn)程/多線程，各進(jìn)程/線程都可以執(zhí)行各自所取得的任務(wù)，這是真正的并行。

但是，還需要考慮硬件層次上CPU核心數(shù)，如果只有單核CPU，那么在硬件角度上這單核CPU一次也只能執(zhí)行一個(gè)任務(wù)，上面多進(jìn)程/多線程的并行也并非真正意義上的并行。只有多核CPU，并且多進(jìn)程/多線程并行，才是真正意義上的并行。

如下圖，是多進(jìn)程/多線程(2個(gè)工作者)的并行：

并發(fā)

并發(fā)表示多個(gè)任務(wù)同時(shí)都要執(zhí)行的現(xiàn)象，更詳細(xì)的概念前面已經(jīng)說面的夠具體了。

其實(shí)，很多場景下都會(huì)使用并發(fā)的概念。比如同時(shí)500個(gè)http請(qǐng)求涌向了web服務(wù)器，比如有時(shí)候說并發(fā)數(shù)是1000等。

有時(shí)候也將并發(fā)當(dāng)成任務(wù)，比如500并發(fā)數(shù)意味著500個(gè)任務(wù)，表示的是在一個(gè)特定的時(shí)間段內(nèi)(約定俗成的大家認(rèn)為是1秒)可以完成500個(gè)任務(wù)。這500個(gè)任務(wù)可以是單進(jìn)程/單線程方式處理的，這時(shí)表示的是并發(fā)不并行的模式(coroutine就是典型的并發(fā)不并行)，即先執(zhí)行完一個(gè)任務(wù)后才執(zhí)行另一個(gè)任務(wù)，也可以是多進(jìn)程/多線程方式處理的，這時(shí)表示的是并發(fā)且并行模式。

要解決大并發(fā)問題，通常是將大任務(wù)分解成多個(gè)小任務(wù)。很典型的一個(gè)例子是處理客戶端的請(qǐng)求任務(wù)，這個(gè)大任務(wù)里面包含了監(jiān)聽并建立客戶端的連接、處理客戶端的請(qǐng)求、響應(yīng)客戶端。但基本上所有這類程序，都將這3部分任務(wù)分開了：在執(zhí)行任何一個(gè)小任務(wù)的時(shí)候，都可以通過一些手段使得可以執(zhí)行其它小任務(wù)，比如在處理請(qǐng)求的時(shí)候，可以繼續(xù)保持監(jiān)聽狀態(tài)。

由于操作系統(tǒng)對(duì)進(jìn)程的調(diào)度是隨機(jī)的，所以切分成多個(gè)小任務(wù)后，可能會(huì)從任一小任務(wù)處執(zhí)行。這可能會(huì)出現(xiàn)一些現(xiàn)象：

• 可能出現(xiàn)一個(gè)小任務(wù)執(zhí)行了多次，還沒開始下個(gè)任務(wù)的情況。這時(shí)一般會(huì)采用隊(duì)列或類似的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來存放各個(gè)小任務(wù)的成果。比如負(fù)責(zé)監(jiān)聽的進(jìn)程已經(jīng)執(zhí)行了多次，建立了多個(gè)連接，但是還沒有調(diào)度到處理請(qǐng)求的進(jìn)程去處理任何一個(gè)請(qǐng)求。
• 可能出現(xiàn)還沒準(zhǔn)備好第一步就執(zhí)行第二步的可能。這時(shí)，一般采用多路復(fù)用或異步的方式，比如只有準(zhǔn)備好產(chǎn)生了事件通知才執(zhí)行某個(gè)任務(wù)。比如還沒有和任何一個(gè)客戶端建立連接時(shí)，就去執(zhí)行了處理請(qǐng)求的進(jìn)程。
• 可以多進(jìn)程/多線程的方式并行執(zhí)行這些小任務(wù)。也可以單進(jìn)程/單線程執(zhí)行這些小任務(wù)，這時(shí)很可能要配合多路復(fù)用才能達(dá)到較高的效率

看圖非常容易理解：

上圖中將一個(gè)任務(wù)中的三個(gè)步驟取柴、運(yùn)柴、卸柴劃分成了獨(dú)立的小任務(wù)，有取柴的老鼠，有運(yùn)柴的老鼠，有卸柴燒火的老鼠。

如果上圖中所有的老鼠都是同一只，那么是串行并發(fā)的，如果是不同的多只老鼠，那么是并行并發(fā)的。

總結(jié)

并行和串行：

• 串行：一次只能取得一個(gè)任務(wù)并執(zhí)行這一個(gè)任務(wù)
• 并行：可以同時(shí)通過多進(jìn)程/多線程的方式取得多個(gè)任務(wù)，并以多進(jìn)程或多線程的方式同時(shí)執(zhí)行這些任務(wù)
• 注意點(diǎn)：
• 如果是單進(jìn)程/單線程的并行，那么效率比串行更差
• 如果只有單核cpu，多進(jìn)程并行并沒有提高效率
• 從任務(wù)隊(duì)列上看，由于同時(shí)從隊(duì)列中取得多個(gè)任務(wù)并執(zhí)行，相當(dāng)于將一個(gè)長任務(wù)隊(duì)列變成了短隊(duì)列

并發(fā)：

• 并發(fā)是一種現(xiàn)象：同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序或多個(gè)任務(wù)需要被處理的現(xiàn)象
• 這些任務(wù)可能是并行執(zhí)行的，也可能是串行執(zhí)行的，和CPU核心數(shù)無關(guān)，是操作系統(tǒng)進(jìn)程調(diào)度和CPU上下文切換達(dá)到的結(jié)果
• 解決大并發(fā)的一個(gè)思路是將大任務(wù)分解成多個(gè)小任務(wù)：
• 可能要使用一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來避免切分成多個(gè)小任務(wù)帶來的問題
• 可以多進(jìn)程/多線程并行的方式去執(zhí)行這些小任務(wù)達(dá)到高效率
• 或者以單進(jìn)程/單線程配合多路復(fù)用執(zhí)行這些小任務(wù)來達(dá)到高效率