并发：简介

并发：简介

什么是并发？

顺序执行：一个程序独占 CPU 资源，直到程序结束才释放 CPU，让出使用权给另一个程序。

并发执行：在较长时间片多个程序共享 CPU 资源，短时间片仍然是单程序占据 CPU，OS 进行调控切换。

为什么需要并发？

背景：硬件发展，计算能力发展，旧有批处理机制浪费资源。
效率！效率！还是效率！

1. 最初的并发目的就是提高资源利用率和系统吞吐量。
2. 后来的分时系统对及时响应的要求也需要并发支持。

如何实现并发？

OS 需要能够调控切换程序的运行，单纯的代码段并不能完成这个要求。所以出现了进程，线程。

进程

进程定义：进程是对程序一次执行过程的抽象，包括其程序段、相关数据段和 PCB(Process Control Block, 进程控制块)组成。其中 PCB 记录进程的各种信息。

进程特征：动态性，独立性，并发性，异步性。

• 动态性：进程实质是程序的一次执行过程，所以是其最基本特征；
• 独立性：传统 OS 中，进程是独立获取资源，独立执行，独立接受调度的基本单位；
• 并发性：多个进程同时存在与内存中，一段时间内同时运行；
• 异步性：进程互相独立，已不可预知的速度运行。

线程

目的：减少进程上下文切换造成的资源浪费。

实现方法：将资源获取和调度执行分开

• 使进程成为拥有资源的基本单位，不再是调度的基本单位，不再被频繁切换
• 进程内部开辟线程来执行程序，线程间共享资源，线程作为调度的基本单位
• 多个线程的状态存储在共享资源内，切换时的消耗小于进程切换，减少了系统消耗
  

而且线程更适合多处理机进行调度，单进程多线程，不同线程在不同处理器上执行无疑会加快任务完成，而单进程单线程情况下无论有多少个处理机，进程只在一个处理机上执行。

如此，进程成为资源的分配单位，线程是 OS 调度的基本单位。
所以下文中主要以线程为主要研究对象

遇到的问题

• 核心问题：调度不可控
• 内存共享导致的问题
  这两个问题会导致进程间互相影响，程序运行基本不可再现。

对现代操作系统下的并发编程还存在以下问题

• 原子性丧失：“程序 (甚至是一条指令) 独占处理器执行” 的基本假设在现代多处理器系统上不再成立。”
• 顺序丧失：编译器翻译时的优化会打乱源码语句顺序
• 可见性丧失：
  • 现代处理器可以理解为动态编译器，甚至会将一条指令“编译”为更小的微操作，乱序执行。
  • 多处理器造成的处理器之间的即时可见性丧失。

问题的解决：互斥与同步

互斥

对于要操作同一个资源的多个线程，通过互斥保证某一时间仅能有一个线程有操作权限
例如：宿舍 6 人，某一时刻仅 1 人能上厕所。

同步

同步：两个或两个以上随时间变化的量在变化过程中保持一定的相对关系。

线程同步：在某个时间点共同达到互相已知的状态，进行进程间的协作。
例如：NPY洗完头就一起去吃饭/打完这局游戏就一起去吃饭

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参考资料：
[1] OSTEP
[2] OSTEP Chinese
[2] NJU OS PPT
[3] NJU OS 课程