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并发编程——基础概念（一）

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本文系作者 chaoCode原创，转载请私信并在文章开头附带作者和原文地址链接。

违者，作者保留追究权利。

前言

并发编程在我们日常开发中是时时刻刻都有在用的，只不过大部分的代码底层已经帮我们去做了一些并发编程的安全处理，但是还是有很多情况下需要我们自己去控制，所以我们需要去了解学习并发编程，那么我们一步一步深入的开始学习。

本篇为概念性的东西，可能比较冗长，请耐心解读，对于学习并发编程之前我们首先要知道这些基本的概念。

基础概念

1.什么是进程和线程

进程是程序运行资源分配的最小单位
进程是操作系统进行资源分配的最小单位,其中资源包括:CPU、内存空间、磁盘 IO 等,同一进程中的多条线程共享该进程中的全部系统资源,而进程和进程之间是相互独立的。进程是具有一定独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动,进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。
进程是程序在计算机上的一次执行活动。当你运行一个程序,你就启动了一个进程。显然,程序是死的、静态的,进程是活的、动态的。进程可以分为系统进 程和用户进程。凡是用于完成操作系统的各种功能的进程就是系统进程,它们就是处于运行状态下的操作系统本身,用户进程就是所有由你启动的进程。

线程是 CPU 调度的最小单位,必须依赖于进程而存在
线程是进程的一个实体,是 CPU 调度和分派的基本单位,它是比进程更小的、能独立运行的基本单位。线程自己基本上不拥有系统资源,只拥有一点在运行中必不可少的资源(如程序计数器,一组寄存器和栈),但是它可与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源。

线程无处不在
任何一个程序都必须要创建线程,特别是 Java 不管任何程序都必须启动一个 main 函数的主线程; Java Web 开发里面的定时任务、定时器、JSP 和 Servlet、异步消息处理机制,远程访问接口RM等,任何一个监听事件, onclick的触发事件等都离不开线程和并发的知识。

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2.CPU核心数和线程数的关系

多核心:也指单芯片多处理器( Chip Multiprocessors,简称 CMP),CMP 是由美国 斯坦福大学提出的,其思想是将大规模并行处理器中的 SMP(对称多处理器)集成 到同一芯片内,各个处理器并行执行不同的进程。这种依靠多个 CPU 同时并行地运行程序是实现超高速计算的一个重要方向,称为并行处理

多线程: Simultaneous Multithreading.简称 SMT.让同一个处理器上的多个线程同步执行并共享处理器的执行资源。

核心数、线程数:目前主流 CPU 都是多核的。增加核心数目就是为了增加线程数,因为操作系统是通过线程来执行任务的,一般情况下它们是 1:1 对应关系,也 就是说四核 CPU 一般拥有四个线程。但 Intel 引入超线程技术后,使核心数与线程 数形成 1:2 的关系。

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3.CPU 时间片轮转机制

我们平时在开发的时候，感觉并没有受 cpu 核心数的限制，想启动线程就启动线程，哪怕是在单核 CPU 上，为什么？这是因为操作系统提供了一种 CPU 时间片轮转机制。

时间片轮转调度是一种最古老、最简单、最公平且使用最广的算法,又称 RR 调度。每个进程被分配一个时间段,称作它的时间片,即该进程允许运行的时间。

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百度百科对 CPU 时间片轮转机制原理解释如下:

如果在时间片结束时进程还在运行,则 CPU 将被剥夺并分配给另一个进程。如果进程在时间片结束前阻塞或结来,则 CPU 当即进行切换。调度程序所要做的就是维护一张就绪进程列表,当进程用完它的时间片后,它被移到队列的末尾

时间片轮转调度中唯一有趣的一点是时间片的长度。从一个进程切换到另一个进程是需要定时间的,包括保存和装入寄存器值及内存映像,更新各种表格和队列等。假如进程切(processwitch),有时称为上下文切换( context switch),需要 5ms, 再假设时间片设为 20ms,则在做完 20ms 有用的工作之后,CPU 将花费 5ms 来进行进程切换。CPU 时间的 20% 被浪费在了管理开销上了。

为了提高 CPU 效率,我们可以将时间片设为 5000ms。这时浪费的时间只有 0.1%。但考虑到在一个分时系统中,如果有 10 个交互用户几乎同时按下回车键,将发生什么情况?假设所有其他进程都用足它们的时间片的话,最后一个不幸的进程不得不等待 5s 才获得运行机会。多数用户无法忍受一条简短命令要 5 才能做出响应,同样的问题在一台支持多道程序的个人计算机上也会发生。

结论可以归结如下:时间片设得太短会导致过多的进程切换,降低了 CPU 效率: 而设得太长又可能引起对短的交互请求的响应变差。将时间片设为 100ms 通常是一个比较合理的折衷。

在 CPU 死机的情况下,其实大家不难发现当运行一个程序的时候把 CPU 给弄 到了 100%再不重启电脑的情况下,其实我们还是有机会把它Kill掉的,我想也正是因为这种机制的缘故。

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