前言

简而言之，所谓并发编程是指在一台处理器上“同时”处理多个任务。

随着硬件的发展，并发程序变得越来越重要。Web服务器会一次处理成千上万的请求。平板电脑和手机app在渲染用户画面同时还会后台执行各种计算任务和网络请求。即使是传统的批处理问题--读取数据，计算，写输出--现在也会用并发来隐藏掉I/O的操作延迟以充分利用现代计算机设备的多个核心。计算机的性能每年都在以非线性的速度增长。

宏观的并发是指在一段时间内，有多个程序在同时运行。

并发在微观上，是指在同一时刻只能有一条指令执行，但多个程序指令被快速的轮换执行，使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果，但在微观上并不是同时执行的，只是把时间分成若干段，使多个程序快速交替的执行。

并行和并发

并行： 并行(parallel)：指在同一时刻，有多条指令在多个 CPU 处理器上同时执行。

并发(concurrency)： 指在同一时刻只能有一条指令执行，但多个进程指令被快速的轮换执行。使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果，但在微观上并不是同时执行的，只是把时间分成若干段，通过 cpu 时间片轮转使多个进程快速交替的执行。

• 宏观：用户体验上，程序在并行执行。
• 微观：多个计划任务，顺序执行，在飞快的切换，轮换使用 cpu 时间轮片。

大师曾以咖啡机的例子来解释并行和并发的区别：

• 并行是两个队列同时使用两台咖啡机 （真正 的多任务）
• 并发是两个队列交替使用一台咖啡机 （ 假 的多任务）

常见并发编程技术

进程并发

程序和进程

程序，是指编译好的二进制文件，只占用磁盘空间，不占用系统资源(cpu、内存、打开的文件、设备、锁 ...)

进程，是一个抽象的概念，与操作系统原理联系紧密。进程是活跃的程序，占用系统资源。在内存中执行。(程序运行起来，产生一个进程)

程序 → 剧本(纸) 进程 → 戏(舞台、演员、灯光、道具 ...)

同一个剧本可以在多个舞台同时上演。同样，同一个程序也可以加载为不同的进程(彼此之间互不影响)

如：同时开两个终端。各自都有一个 bash 但彼此 ID 不同。

在 windows 系统下，通过查看“任务管理器”，可以查看相应的进程。运行起来的程序就是一个进程。如下图所示：

进程状态

进程基本的状态有5种。分别为初始态，就绪态，运行态，挂起（阻塞）态与终止（停止）态。其中初始态为进程准备阶段，常与就绪态结合来看。

进程并发

在使用进程 实现并发时会出现什么问题呢？

• 系统开销比较大，占用资源比较多，开启进程数量比较少。
• 在 unix/linux 系统下，还会产生孤儿进程和僵尸进程。

通过前面查看操作系统的进程信息，我们知道在操作系统中，可以产生很多的进程。

在 unix/linux 系统中，正常情况下，子进程是通过父进程 fork 创建的，子进程再创建新的进程。

并且父进程永远无法预测子进程到底什么时候结束。 当一个 进程完成它的工作终止之后，它的父进程需要调用系统调用取得子进程的终止状态。

孤儿进程：父进程先于子进程结束，则子进程成为孤儿进程，子进程的父进程成为 init 进程，称为 init 进程领养孤儿进程。

僵尸进程：子进程终止，父进程尚未回收，子进程残留资源（PCB）存放于内核中，变成僵尸（Zombie）进程。

Windows 下的进程和 Linux 下的进程是不一样的，它比较懒惰，从来不执行任何东西，只是为线程提供执行环境。然后由线程负责执行包含在进程的地址空间中的代码。当创建一个进程的时候，操作系统会自动创建这个进程的第一个线程，成为主线程。

线程并发

什么是线程

LWP：light weight process 轻量级的进程，本质仍是进程 (Linux下)

进程：独立地址空间，拥有 PCB

线程：有独立的 PCB，但没有独立的地址空间(共享)

区别：在于是否共享地址空间。独居(进程)；合租(线程)。

进程：最小分配资源单位，可看成是只有一个线程的进程。

线程：最小的执行单位

Windows 系统下，可以直接忽略进程的概念，只谈线程。因为线程是最小的执行单位，是被系统独立调度和分派的基本单位。而进程只是给线程提供执行环境。

线程同步

同步即协同步调，按预定的先后次序运行。

线程同步，指一个线程发出某一功能调用时，在没有得到结果之前，该调用不返回。同时其它线程为保证数据一致性，不能调用该功能。

举例1： 银行存款 5000。柜台：取3000；同时提款机：取 3000。剩余：2000。

举例2： 内存中 100 字节，线程T1欲填入全1， 线程T2欲填入全0。但如果T1执行了50个字节失去cpu，T2执行，会将T1写过的内容覆盖。当T1再次获得cpu继续 从失去cpu的位置向后写入1，当执行结束，内存中的100字节，既不是全1，也不是全0。

产生的现象叫做“与时间有关的错误”(time related)。为了避免这种数据混乱，线程需要同步。

“同步”的目的，是为了避免数据混乱，解决与时间有关的错误。实际上，不仅线程间需要同步，进程间、信号间等等都需要同步机制。

因此，所有“多个控制流，共同操作一个共享资源”的情况，都需要同步。

锁的应用

互斥量 mutex

Linux 中提供一把互斥锁 mutex（也称之为互斥量）。

每个线程在对资源操作前都尝试先加锁，成功加锁才能操作，操作结束解锁。

资源还是共享的，线程间也还是竞争的，但通过“锁”就将资源的访问变成互斥操作，而后与时间有关的错误也不会再产生了。

但是应注意：同一时刻，只能有一个线程持有该锁。

当 A 线程对某个全局变量加锁访问，B 在访问前尝试加锁，拿不到锁，B 阻塞。C 线程不去加锁，而直接访问该全局变量，依然能够访问，但会出现数据混乱。

所以，互斥锁实质上是操作系统提供的一把“建议锁”（又称“协同锁”），建议程序中有多线程访问共享资源的时候使用该机制。但是并没有强制限定。

因此，即使有了 mutex，如果有线程不按规则来访问数据，依然会造成数据混乱。

读写锁

与互斥量类似，但读写锁允许更高的并行性。其特性为：写独占，读共享。

读写锁状态：

特别强调：读写锁只有一把，但其具备两种状态：

• 读模式下加锁状态 (读锁)
• 写模式下加锁状态 (写锁)

读写锁特性：

• 读写锁是“写模式加锁”时，解锁前，所有对该锁加锁的线程都会被阻塞。
• 读写锁是“读模式加锁”时， 如果线程以读模式对其加锁会成功；如果线程以写模式加锁会阻塞。
• 读写锁是“读模式加锁”时， 既有试图以写模式加锁的线程，也有试图以读模式加锁的线程。那么读写锁会阻塞随后的读模式锁请求。优先满足写模式锁。读锁、写锁并行阻塞，写锁优先级高

读写锁也叫共享-独占锁。当读写锁以读模式锁住时，它是以共享模式锁住的；当它以写模式锁住时，它是以独占模式锁住的。写独占、读共享。

读写锁非常适合于对数据结构读的次数远大于写的情况。

协程并发

协程：coroutine。也叫轻量级线程。

与传统的系统级线程和进程相比，协程最大的优势在于“轻量级”。可以轻松创建上万个而不会导致系统资源衰竭。而线程和进程通常很难超过1万个。这也是协程别称“轻量级线程”的原因。

一个线程中可以有任意多个协程，但某一时刻只能有一个协程在运行，多个协程分享该线程分配到的计算机资源。

多数语言在语法层面并不直接支持协程，而是通过库的方式支持，但用库的方式支持的功能也并不完整，比如仅仅提供协程的创建、销毁与切换等能力。如果在这样的轻量级线程中调用一个同步 IO 操作，比如网络通信、本地文件读写，都会阻塞其他的并发执行轻量级线程，从而无法真正达到轻量级线程本身期望达到的目标。

在协程中，调用一个任务就像调用一个函数一样，消耗的系统资源最少！但能达到进程、线程并发相同的效果。

协程的目的：提高程序执行的效率。

在一次并发任务中，进程、线程、协程均可以实现。从系统资源消耗的角度出发来看，进程相当多，线程次之，协程最少。

进程、线程、协程 总结

• 进程、线程、协程都可以完成并发。
• 进程并发稳定性高、开销大。
• 线程开销小（节省资源）。
• 协程效率高。

选择哪一种进行并发并没有一个统一的答案，需要根据具体情况具体分析。

最后，举一个例子帮助大家更好的理解一下三者的区别：

比如说我是一家生产手机的老板，要通过一条生产线（进程）去生产手机，光有生产线还不够，还需要工人（线程）来完成手机的生产。

这时只有一条生产线，一个工人，我们可以看作是一个单进程、单线程的程序。

接下来我发现这样效率太低了，我要多招工人，假设招了 50 个工人，也就是有了 50 个线程。

这时有一条生产线，50 个工人，我们可以看作是一个单进程、多线程的程序。

再接下来，还想提高效率，我弄 10 条生产线，每条生产线招 50 个工人，那么就需要 500 个工人。

这时有 10 条生产线，500 个工人，我们可以看作是一个多进程、多线程的程序。

但是如果上一个程序没有完成，接下来的工人都会在等待。那么就会有工人在这时刷刷微博、逛逛朋友圈什么的。我心想这不行，我得把这空闲时间利用起来啊。所以，老板又制定了一条规则：所有工人，如果有空闲时间，都要到我家来搬砖（协程）。

这时有 10 条生产线，500 个工人，工作的同时还去我家帮忙搬砖，我们可以看作是一个多进程、多线程、多协程的程序。（我可真是个黑心老板 ...）

Go 并发

Go 在语言级别支持协程，叫 goroutine。Go 语言标准库提供的所有系统调用操作（包括所有同步IO操作），都会出让 CPU 给其他 goroutine。这让轻量级线程的切换管理不依赖于系统的线程和进程，也不需要依赖于 CPU 的核心数量。

有人把 Go 比作21世纪的 C 语言。第一是因为 Go 语言设计简单，第二，21世纪最重要的就是并行程序设计，而 Go 从语言层面就支持并行。同时，并发程序的内存管理有时候是非常复杂的，而 Go 语言提供了自动垃圾回收机制。

Go 语言为并发编程而内置的上层 API 基于顺序通信进程模型 CSP(communicating sequential processes)。这就意味着显式锁都是可以避免的，因为 Go 通过相对安全的通道发送和接受数据以实现同步，这大大地简化了并发程序的编写。

Go 语言中的并发程序主要使用两种手段来实现。goroutine 和 channel。

李培冠博客

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