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并发和并行的区别(图解)

在学习多线程/进程编程时,我们经常会遇到并发和并行这两个名词,它们看起来是一个概念,都是“多个线程/进程同时执行”的意思,但实际上它们是有区别的,甚至说不是一码事。

很多教材也都解释了并发和并行的区别,例如:
不过这种解释非常晦涩难懂,估计只有作者自己才能搞明白。这篇文章,我将站在一个大叔程序员的视角,使用通俗易懂的语言来重新剖析并发和并行的区别,并配上优雅的图片,以加深读者的理解。

并发(Concurrency)

早期计算机的 CPU 都是单核的,一个 CPU 在同一时间只能执行一个进程/线程,当系统中有多个进程/线程等待执行时,CPU 只能执行完一个再执行下一个。

为了表述简单,下文我们将不再区分进程和线程,而将它们统一称为“任务”。在不同的场景下,一个任务可能是进程,也可能是线程。

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。

下图展示了两个任务并发执行的过程:


图1: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。

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:
将 CPU 资源合理地分配给多个任务共同使用,有效避免了 CPU 被某个任务长期霸占的问题,极大地提升了 CPU 资源利用率。

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”。

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2: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。

并发+并行

在图2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:


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。

总结

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。

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