一户誓、并發(fā)與并行

1. 并發(fā)

并發(fā)（Concurrent）：1個(gè)CPU交錯(cuò)執(zhí)行2個(gè)任務(wù)袁串。單核系統(tǒng)中者冤，進(jìn)程（或線程）通過(guò)時(shí)間片或出讓控制權(quán)來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換无宿，以達(dá)到“同時(shí)”運(yùn)行多個(gè)程序的目的，實(shí)際上任何時(shí)刻都只有1個(gè)任務(wù)被執(zhí)行赂弓。宏觀上是“同時(shí)”執(zhí)行绑榴，微觀上是交錯(cuò)地順序執(zhí)行。

并發(fā)的特性

• 系統(tǒng)資源被多個(gè)進(jìn)程（或線程）共享盈魁，造成程序結(jié)果不唯一
• 進(jìn)程（或線程）結(jié)果的多變翔怎，導(dǎo)致進(jìn)程（或線程）運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)不同的結(jié)果或偶發(fā)的異常
• 多個(gè)進(jìn)程（或線程）間存在競(jìng)爭(zhēng)資源產(chǎn)生的互斥關(guān)系，也存在協(xié)作完成一個(gè)整體任務(wù)產(chǎn)生的同步關(guān)系杨耙。

能否很好地解決多個(gè)進(jìn)程（或線程）間的同步及互斥關(guān)系赤套，將決定程序能否正常運(yùn)行。

2. 并行

并行（Parallel）：2個(gè)CPU分別同時(shí)各執(zhí)行了1個(gè)任務(wù)珊膜。多核系統(tǒng)中容握，理想情況下，可以讓多個(gè)進(jìn)程（或線程）做到真正意義上的同時(shí)執(zhí)行车柠，它們之間不需要排隊(duì)

通過(guò)下圖中Erlang 之父 Joe Armstrong對(duì)并發(fā)與并行的說(shuō)明剔氏，我們能清晰的區(qū)分并發(fā)與并行

二、進(jìn)程竹祷、線程谈跛、協(xié)程

1. 進(jìn)程

進(jìn)程（Process）：是操作系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個(gè)獨(dú)立單位。是一個(gè)具有特定功能的程序運(yùn)行在一個(gè)數(shù)據(jù)集上的一次動(dòng)態(tài)過(guò)程塑陵。是應(yīng)用程序運(yùn)行的載體感憾。操作系統(tǒng)內(nèi)核通過(guò)進(jìn)程控制塊(PCB，process control block)來(lái)感知進(jìn)程令花。

進(jìn)程的組成

• 程序：用于描述進(jìn)程要完成的功能阻桅，是控制進(jìn)程執(zhí)行的指令集凉倚。（進(jìn)程的執(zhí)行）
• 數(shù)據(jù)集合：程序執(zhí)行時(shí)所需的數(shù)據(jù)和工作空間。（進(jìn)程的數(shù)據(jù)資源）
• 進(jìn)程控制塊（PCB）：但基本包括進(jìn)程標(biāo)識(shí)符嫂沉，當(dāng)前狀態(tài)占遥，現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)區(qū)，存儲(chǔ)指針输瓜，占用資源表以及進(jìn)程優(yōu)先級(jí)等信息。它是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)志芬萍。（進(jìn)程的詳細(xì)信息）

進(jìn)程的切換

進(jìn)程切換尤揣，就是把進(jìn)程存放在處理器的寄存器中的中間數(shù)據(jù)存放到進(jìn)程的私有堆棧中，從而把處理器的寄存器騰出來(lái)讓其他進(jìn)程使用柬祠。這個(gè)中間數(shù)據(jù)北戏，就被稱作該進(jìn)程的上下文。進(jìn)程的切換實(shí)質(zhì)上就是被中止運(yùn)行進(jìn)程與待運(yùn)行進(jìn)程上下文的切換

進(jìn)程的狀態(tài)

進(jìn)程的通信方式

• 管道
  管道可以看成是一種只存在內(nèi)存中，不存在于任何文件系統(tǒng)中的特殊文件宋欺，支持普通的read轰豆、write 等函數(shù)。分為以下兩種管道
  匿名管道（pipe）：
  半雙工（即數(shù)據(jù)只能在一個(gè)方向上流動(dòng)）齿诞，具有固定的讀端和寫端秒咨，只能用于具有親緣關(guān)系的進(jìn)程之間的通信。
  命名管道（FIFO）：
  半雙工掌挚，有自己的名字和訪問(wèn)權(quán)限的限制雨席，就像一個(gè)文件一樣，它可以用于不相關(guān)進(jìn)程間的通信吠式，進(jìn)程通過(guò)使用命名管道的名字獲得管道陡厘。

  管道的特點(diǎn)：寫滿時(shí)抽米，不能再寫；讀空時(shí)糙置，不能再讀
  使用場(chǎng)景：適合兩個(gè)進(jìn)程間發(fā)送非常短小的云茸、頻率很高的消息。

• 消息隊(duì)列
  由消息組成的鏈表谤饭，存放在內(nèi)核中并由消息隊(duì)列標(biāo)識(shí)符標(biāo)識(shí)标捺。消息隊(duì)列是消息的鏈接表，包括Posix消息隊(duì)列system V消息隊(duì)列揉抵。有足夠權(quán)限的進(jìn)程可以向隊(duì)列中添加消息亡容，被賦予讀權(quán)限的進(jìn)程則可以讀走隊(duì)列中的消息。消息隊(duì)列克服了信號(hào)承載信息量少冤今，管道只能承載無(wú)格式字節(jié)流以及緩沖區(qū)大小受限等缺點(diǎn)闺兢。

• 信號(hào)
  信號(hào)是一種非常短的消息，短到只有一個(gè)數(shù)字戏罢。一個(gè)進(jìn)程可以向另外一個(gè)進(jìn)程或者另外一組進(jìn)程發(fā)送信號(hào)消息屋谭，通知目標(biāo)進(jìn)程執(zhí)行特定的代碼

• 信號(hào)量
  用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的互斥與同步，而不用于存儲(chǔ)進(jìn)程間通信數(shù)據(jù)龟糕，是一種保證共享資源有序訪問(wèn)的工具桐磁。

• 共享內(nèi)存
  允許兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)程共享一個(gè)給定的存儲(chǔ)區(qū)，這一段存儲(chǔ)區(qū)可以被兩個(gè)或兩個(gè)以上的進(jìn)程映射至自身的地址空間中讲岁，一個(gè)進(jìn)程寫入共享內(nèi)存的信息所意，可以被其他使用這個(gè)共享內(nèi)存的進(jìn)程。
  共享內(nèi)存將保持到通信完畢為止催首，不會(huì)頻繁解除內(nèi)存映射或重建內(nèi)存共享區(qū)域扶踊，因此共享內(nèi)存的通信方式效率非常高。
  使用場(chǎng)景：適合多進(jìn)程間共享的郎任、非常龐大的秧耗、讀寫操作頻率很高的數(shù)據(jù)通信。

• 網(wǎng)絡(luò)Socket
  網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)程間通信的API舶治。與其他通信機(jī)制不同的是分井，它可用于不同機(jī)器間的進(jìn)程通信。
  使用場(chǎng)景：適用于分布式開發(fā)

2. 線程

線程（thread）：是操作系統(tǒng)能夠進(jìn)行運(yùn)算調(diào)度的最小單位霉猛，它被包含在進(jìn)程之中尺锚，是進(jìn)程中的實(shí)際運(yùn)作單位。

線程的分類

線程的實(shí)現(xiàn)可以分為兩類：

1）用戶級(jí)線程（User-Level Thread）

由進(jìn)程負(fù)責(zé)調(diào)度管理惜浅，不依賴于操作系統(tǒng)內(nèi)核
優(yōu)點(diǎn)：

• 線程位于用戶空間（即不需要模式切換）瘫辩。
• 完全控制線程調(diào)度器（例如：網(wǎng)站服務(wù)器）。
• 獨(dú)立于操作系統(tǒng)（線程可以在不支持它們的操作系統(tǒng)上運(yùn)行）。
• 運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)(run time system)可以切換用戶空間中的本地阻塞線程（例如:等待另一個(gè)線程完成)伐厌。

缺點(diǎn)：

• 系統(tǒng)調(diào)度中承绸，對(duì)一個(gè)線程的阻塞將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)進(jìn)程阻塞（例如：當(dāng)一個(gè)線程因 I/O 而處于等待狀態(tài)時(shí)，整個(gè)進(jìn)程就會(huì)被調(diào)度程序切換為等待狀態(tài)挣轨，其他線程得不到運(yùn)行的機(jī)會(huì)）军熏。
• 網(wǎng)站服務(wù)器中，一個(gè)頁(yè)面的錯(cuò)誤將導(dǎo)致整個(gè)進(jìn)程阻塞卷扮。
• 非真正意義的線程并行(一個(gè)進(jìn)程安排在單個(gè)CPU上)荡澎。
• 不存在時(shí)鐘中斷（例如，如果用戶線程是非搶占式的晤锹，將無(wú)法被“進(jìn)程調(diào)度”以round-robin的調(diào)度算法調(diào)用摩幔，因?yàn)閞ound-robin調(diào)度算法中限制了cpu時(shí)間片）。

2）內(nèi)核級(jí)線程（Kernel-Level Thread）

由操作系統(tǒng)支持和管理
優(yōu)點(diǎn)：

• 實(shí)現(xiàn)了真正意義上的線程并行抖甘。
• 不需要運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的參與。

缺點(diǎn)：
頻繁的模式切換導(dǎo)致內(nèi)核開支葫慎。

線程的同步

當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)讀寫同一份共享資源的時(shí)候衔彻，可能會(huì)引起沖突，這時(shí)候偷办，我們需要引入線程“同步”機(jī)制艰额。線程同步是為了防止多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)同一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)造成破壞椒涯。線程的同步是保證多線程安全訪問(wèn)資源的一種手段柄沮。

主要通過(guò)臨界區(qū)（Critical Section）、互斥對(duì)象（Mutex）的機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)互斥控制废岂，在Java中分別對(duì)應(yīng)synchornized及對(duì)象鎖祖搓；通過(guò)信號(hào)量（Semaphore）、事件對(duì)象（Event）以通知的方式進(jìn)行同步控制湖苞，在Java中分別對(duì)應(yīng)wait()拯欧、notify()等方法。

也可以通過(guò)寫時(shí)復(fù)制(Copy On Write)的無(wú)鎖方式來(lái)實(shí)現(xiàn)線程的同步财骨，即在每個(gè)線程中拷貝一份共享資源的副本镐作。

線程的出現(xiàn)，是為了分離進(jìn)程的兩個(gè)功能：資源分配和系統(tǒng)調(diào)度隆箩。讓更細(xì)粒度该贾、更輕量的線程來(lái)承擔(dān)調(diào)度，減輕調(diào)度帶來(lái)的開銷捌臊。但線程還是不夠輕量杨蛋，因?yàn)檎{(diào)度是在內(nèi)核空間進(jìn)行的，每次線程切換都需要陷入內(nèi)核，這個(gè)開銷還是不可忽視的六荒。協(xié)程則是把調(diào)度邏輯在用戶空間里實(shí)現(xiàn)护姆，通過(guò)自己（編譯器運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)/程序員）模擬控制權(quán)的交接，來(lái)達(dá)到更加細(xì)粒度的控制掏击。
在操作系統(tǒng)的OS Thread和編程語(yǔ)言的User Thread之間卵皂，實(shí)際上存在3種線程對(duì)應(yīng)模型，也就是：1:1砚亭，1:N灯变，M:N。

• 1:1：一個(gè)用戶線程就只在一個(gè)內(nèi)核線程上跑捅膘，這時(shí)可以利用多核添祸，但是上下文切換很慢，切換效率很低寻仗。
• N:1：多個(gè)（N）用戶線程始終在一個(gè)內(nèi)核線程上跑刃泌，context上下文切換很快，但是無(wú)法真正的利用多核署尤。
• M:N：多個(gè)用戶線程在多個(gè)內(nèi)核線程上跑耙替，這個(gè)可以集齊上面兩者的優(yōu)勢(shì),既能快速切換上下文，也能利用多核的優(yōu)勢(shì)

3. 協(xié)程

協(xié)程(Coroutine)：是一種用戶級(jí)的輕量線程曹体，擁有自己獨(dú)立的棧和共享的堆俗扇，共享堆，不共享?xiàng)；稹f(xié)程由程序員在協(xié)程的代碼里顯示調(diào)度铜幽。進(jìn)程、線程是操作系統(tǒng)級(jí)別的概念串稀，而協(xié)程是編譯器級(jí)別的除抛，協(xié)程間切換只需要保存任務(wù)的上下文，沒(méi)有內(nèi)核的開銷母截。
協(xié)程的優(yōu)勢(shì)：

• 內(nèi)存占用少
• 上下文切換代價(jià)小

4. goroutine

Goroutine基本概念：

• goroutine是Go語(yǔ)言運(yùn)行庫(kù)的功能镶殷，不是操作系統(tǒng)提供的功能，goroutine不是用線程實(shí)現(xiàn)的微酬，而是go語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的用戶態(tài)線程绘趋。
• goroutine就是一段代碼，一個(gè)函數(shù)入口颗管，以及在堆上為其分配的一個(gè)堆棧陷遮。所以它非常廉價(jià)，我們可以很輕松的創(chuàng)建上萬(wàn)個(gè)goroutine垦江，但它們并不是被操作系統(tǒng)所調(diào)度執(zhí)行帽馋。
• goroutine來(lái)自協(xié)程的概念，讓一組可復(fù)用的函數(shù)運(yùn)行在一組線程之上，即使有g(shù)oroutine阻塞绽族，該線程的其他goroutine也可以被runtime調(diào)度姨涡，轉(zhuǎn)移到其他可運(yùn)行的線程上。這更像是多線程和協(xié)程的綜合體吧慢，能最大限度提升執(zhí)行效率涛漂，發(fā)揮多核處理能力。

Goroutine特點(diǎn)：

• 占用內(nèi)存更屑焓（幾kb）
• 調(diào)度更靈活(runtime調(diào)度)

參考文檔：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/137339439
https://zhuanlan.zhihu.com/p/260830550
https://zhuanlan.zhihu.com/p/51194025
https://www.cnblogs.com/LUO77/p/5816326.html
https://blog.csdn.net/cafucwxy/article/details/78453430
https://blog.csdn.net/zhaohong_bo/article/details/89552188
https://www.coder55.com/article/11579
http://www.sizeofvoid.net/goroutine-under-the-hood/
https://zhuanlan.zhihu.com/p/68299348