并发编程专题(一)-并发与多线程

发布时间:2020-08-29 11:55:23 作者:BRUCELIU9527
来源:网络 阅读:733
1.并发
1.1 并发与并行

首先介绍一下并发与并行,两者虽然只有一字之差,但实际上却有着本质的区别,其概念如下:

并发编程专题(一)-并发与多线程

在操作系统中,安装了多个程序,并发指的是在一段时间内宏观上有多个程序同时运行,这在单 CPU 系统中,每一时刻只能有一道程序执行,即微观上这些程序是分时的交替运行,只不过是给人的感觉是同时运行,那是因为分时交替运行的时间是非常短的。

而在多个 CPU 系统中,则这些可以并发执行的程序便可以分配到多个处理器上(CPU),实现多任务并行执行,即利用每个处理器来处理一个可以并发执行的程序,这样多个程序便可以同时执行。目前电脑市场上说的多核 CPU,便是多核处理器,核越多,并行处理的程序越多,能大大的提高电脑运行的效率。
并发编程专题(一)-并发与多线程

注意:单核处理器的计算机肯定是不能并行的处理多个任务的,只能是多个任务在单个CPU上并发运行。同理,线程也是一样的,从宏观角度上理解线程是并行运行的,但是从微观角度上分析却是串行运行的,即一个线程一个线程的去运行,当系统只有一个CPU时,线程会以某种顺序执行多个线程,我们把这种情况称之为线程调度。

1.2 顺序编程与并发编程

我们在解决编程问题时,通常使用顺序编程来解决,即程序中的所有事物在任意时刻都只能执行一个步骤。然而对于某些问题,我们希望能够并行地执行程序中的多个部分,来达到我们想要的效果。在单处理器机器中,我们可以将程序划分为多个部分,然后每个部分由该处理器并发执行。在多处理器机器中,我们可以将程序划分多个部分,然后每个部分分别在多个处理器上并行执行。当然为了更加充分利用CPU资源,我们也可以在多个处理器上并发执行,那么在这我们就涉及到了另一种编程模式了并发编程。并发编程又叫多线程编程。并发编程使我们可以将程序划分为多个分离的、独立运行的任务。通过使用多线程机制,每个独立任务都将由线程来驱动。一个线程就是在进程中的一个单一的顺序控制流,单个进程可以拥有多个"并发执行"的任务。这样使程序的每个任务,都好像拥有一个自己的CPU一样。但其底层机制还是是切分CPU时间,CPU都有个时钟频率,表示每秒中能执行CPU指令的次数。在每个时钟周期内,CPU实际上只能去执行一条也有可能多条指令。操作系统将进程进行管理,轮流分配每个进程很短的一段是时间但不一定是均分,然后在每个进程内部,程序代码自己处理该进程内部线程的时间分配,多个线程之间相互的切换去执行,这个切换时间也是非常短的所以通常我们不需要考虑它。

并发是指"发",不是处理,最常见的情况就是许多人在一小段时间内都点击了你的网站,发出了处理请求。并发编程是对并发状况的应对,在单处理器和多处理器机器上都可对其进行应对,可这个处理方案和架构以及算法有关。CPU一般是分时的,会在极短的时间内不停地切换给不同的线程使用,无论多少并发都会处理下去,只是时间问题,如何提高处理效率就看采用的技术了。

1.3 并发编程的优势

如果使用得当,线程可以有效地降低程序的开发和维护等成本,同时提升复杂应用程序的性能。具体说,线程的优势有:

2.进程和线程

并发编程专题(一)-并发与多线程

独立性:进程是系统中独立存在的实体,它可以拥有自己独立的资源,每一个进程都拥有自己私有的地址空间。在没有经过进程本身允许的情况下,一个用户进程不可以直接访问其他进程的地址空间。
动态性:进程与程序的区别在于,程序只是一个静态的指令集合,而进程是一个正在系统中活动的指令集合。在进程中加入了时间的概念,进程具有自己的生命周期和各种不同的状态,这些概念在程序中部是不具备的。
并发性:多个进程可以在单个处理器上并发执行,多个进程之间不会互相影响。

3.2 多线程
3.2.1 多线程概述

多线程则扩展了多进程的概念。使得同一个进程中也可以同时并发处理多个任务。线程(Thread)也被称作轻量级进程(Lightweight Process)。线程是进程的执行单元,就像进程在操作系统中的地位一样,线程在程序中是独立的、并发的执行流。当进程被初始化后,主线程就被创建了。对于绝大多数的应用程序来说,通常仅要求有一个主线程,但也可以在该进程内创建多条顺序执行流,这些顺序执行流就是线程,每个线程也是互相独立的。

线程是进程的组成部分,一个进程可以拥有多个线程,一个线程必须有一个父进程。线程可以拥有自己的堆栈、自己的程序计数器和自己的局部变量,但不拥有系统资源,它与父进程的其他线程共享该进程所拥有的全部资源。因为多个线程共享父进程里的全部资源,因此编程更加方便;但必须更加小心,我们必须确保线程不会妨碍同一进程里的其他线程。

3.2.2 多线程机制

线程模型为编程带来了便利,它简化了在单一程序中同时交织在一起的多个操作的处理。在使用线程时,CPU将轮流给每个任务分配其占用时间。每个任务都觉得自己在一直占用CPU,但事实上CPU时间是划分成片段分配给了所有的任务。线程的一大好处是可以使你从这个层次抽身出来,即代码不必知道它是运行在具有一个还是多个CPU的机器上。所以,使用线程机制是一种建立透明的、可扩展的程序的方法,如果程序行得太慢,为机器增添一个CPU就能很容易地加快程序的运行速度。多任务和多线程往往是使用多处理器系统的最合理方式。

3.2.3 多线程调度

线程可以完成一定的任务,可以与其他线程共享父进程中的共享变量及部分环境,相互之间协同来完成进程所要完成的任务。线程是独立运行的,它并不知道进程中是否还有其他线程存在,线程的执行是抢占式的,也就是说,当前运行的线程在任何时候都可能被挂起,以便另外一个线程可以运行。

一个线程可以创建和撤销另一个线程,同一个进程中的多个线程之间可以并发执行。从逻辑角度来看,多线程存在于一个应用程序中,让一个应用程序中可以有多个执行部分同时执行,但操作系统无须将多个线程看作多个独立的应用,对多线程实现调度和管理以及资源分配。线程的调度和管理由进程本身负责完成。

纳起采可以这样说:操作系统可以同时执行多个任务,每个任务就是进程;进程可以同时执行多个任务,每个任务就是线程。简而言之,一个程序运行后至少有一个进程,一个进程里可以包含多个线程,但至少要包含一个线程。

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