并发执行，进程同步，进程互斥，异步，并行，多线程的区别

1. 几个概念

1.1 并发

在操作系统的一个时间段中，有几个程序同时处于启动运行到运行完毕之间的状态，且这几个程序都在同一个处理机上运行。

并发又有伪并发和真并发：伪并发是指单核处理器的并发，真并发是指多核处理器的并发。

1.2 互斥

并发进程之间的制约关系有两种，即互斥和同步。

多个并发进程之间，因竞争使用临界资源而互相排斥执行的间接制约关系，叫作互斥。

例1：



例2：共享变量

设两个进程P1，P2，它们共享同一变量count，主要操作如下：

进程P1	进程P2
R1：= count	R2：= count
R1：= R1+1	R2：= R2+1
count：= R1	count：= R2

其中，R1和R2是处理机的两个通用寄存器。它们可以按各自独立的速度前进，所以运行的顺序也可能是：

进程	运行
进程P1：	R1：= count
进程P2:	R2：= count
进程P1：	R1：= R1+1；count：= R1
进程P2:	R2：= R2+1；count：= R2

1.3 同步

在某些地方，多个并发进程需要相互等待或交换信息而产生的直接制约关系，叫做同步。

并发进程之间不是相互排斥临界资源，而是相互依赖的关系。进一步地说，同步关系就是前一个进程的输出作为后一个进程的输入；当第一个进程没有输出时，第二个进程必须等待。具有同步关系的一组并发进程，相互发送的信息称为消息或事件。

下面是一个司机和售票员同步的例子：



还有一个协作进程的例子：

用户作业程序的形式：Z=func1(x)∗func2(y)，其中func1(x)，func2(y)均是一个复杂函数，为了加速计算，按以下方法计算：

进程P1、P2分别计算func1(x) 与 func2(y)

进程P1与P2计算结果相乘，获得结果Z

1.4 并行

在单核处理器的多道程序环境中，进程被交替执行，表现出一种并发的外部特征；在多核处理器的多道程序环境中，进程不仅可以交替执行，还可以重叠执行，即并行。

在多核处理器上，程序才可以实现并行处理。从而可知，并行是针对多核处理器而言。并行是同一时刻发生多个事件，具有并发的含义；但并发不一定并行，即并发事件之间不一定要同一时刻发生。

1.5 多线程

多线程是程序设计的逻辑层概念，它是进程中并发运行的一段代码。多线程可以实现线程间的切换执行。

1.6 异步

异步与同步是相对的：同步是顺序执行进程，执行完一个进程再执行下一个进程，需要进程之间等待、协调运行；异步是进程之间彼此独立，在等待其他进程的运行时，本进程继续做自己的事，不需要等待其他进程完成后再工作。

在多道程序环境下，进程以异步方式并发执行。

异步与多线程不是同等关系：异步是最终目的，多线程只是我们实现异步的一种方式。异步是让调用方法的主线程不用同步等待另一线程的完成，主线程可以同时做其它事情。

实现异步可以采用多线程技术或者交给另外的进程处理。

2. 事例理解

为了对以上概念更好地理解，举一个简单例子，假设我们要做烧开水，举杠铃100下， 洗衣服这3件事情。

烧开水：准备烧开水（1分钟）， 等开水烧开（8分钟） , 关掉烧水机（1分钟）

举杠铃100下：举杠铃100下（10分钟）

洗衣服：准备洗衣服（1分钟）， 等衣服洗完（5分钟），关掉洗衣机（1分钟）

2.1 单核处理器

同步执行

事情步骤安排：烧水：准备烧开水（1分钟）， 等开水烧开（8分钟） , 关掉烧水机（1分钟）；举杠铃100下：举杠铃100下（10分钟）；洗衣服：准备洗衣服（1分钟）， 等衣服洗完（5分钟），关掉洗衣机（1分钟）

做完3件事，花费的时间t = 1+ 8 +1 + 10 + 1+ 5 +1 = 27（分钟）

异步并行

在等待事情执行时，我（单核）可以切换出去，做别的事情。

事情步骤安排：准备烧开水(1分钟) + 准备洗衣服(1分钟) + 举50下杠铃 (5分钟)+ 关洗衣机（1分钟） + 举杠铃20下（2分钟）+ 关烧水机（1分钟） + 举30下杠铃(3分钟）

在等待衣服洗完（5分钟）时，我（单核）执行举50下杠铃（5分钟）；在等待水烧开（8分钟）时，我（单核）执行举50下杠铃 (5分钟)+ 关洗衣机（1分钟） + 举杠铃20下（2分钟）。

做完3件事，花费的时间t = 1 + 1 + 5 + 1 + 2 + 1 + 3 = 14（分钟）

2.2 双核处理器

异步并行

核1：准备烧开水（1分钟）+ 举杠铃50下（5分钟）+ 等待（3分钟）+ 关掉烧水机 （1分钟）

核2：准备洗衣服（1分钟）+ 举杠铃50下（5分钟）+ 关掉洗衣机（1分钟） + 等待（3分钟）

其中，在等待水烧开（8分钟）时，核1执行举杠铃50下（5分钟），等待（3分钟）；在等待衣服洗完（5分钟）时，核2执行举杠铃50下（5分钟）。

做完3件事，花费的时间t = 1 + 5 + 3 + 1 = 10（分钟），其中双核都等待了3分钟。

异步非并行

核1：举杠铃100下（10分钟）

核2：准备烧开水（1分钟）+ 准备洗衣服（1分钟）+ 等待（6分钟）+ 关掉烧水机（1分钟）+ 关掉洗衣机（1分钟）

其中，在等待水烧开（8分钟）时，核2执行准备烧开水（1分钟），准备洗衣服（1分钟），等待（6分钟）；在等待衣服洗完（5分钟）时，核2执行等待（6分钟）。

做完3件事，花费的时间t =1 + 1 + 6 + 1 + 1 = 10（分钟）

2.3 多线程

单核处理器

线程1：准备烧开水（1分钟）， 等水烧开（8分钟） , 关掉烧水机（1分钟）

线程2：举杠铃100下（10分钟）

线程3：准备洗衣服（1分钟）， 等水烧开（5 分钟） , 关掉洗衣机（1分钟）

CPU最理想的切换方式：

线程1：准备烧开水（1分钟）+ sleep 1 + sleep 5 + sleep 1 + sleep 2 + 关开水（1分钟）

线程2：sleep 1+ sleep 1 + 举杠铃50（5分钟）+ sleep 1 + 举杠铃20（2分钟）+ sleep1 + 举杠铃30下（3分钟）

线程3：sleep 1 + 准备洗衣服（1分钟）+ sleep 5 +关洗衣机（1分钟）

最后使用了14分钟，与异步是一样的。但实际上是不一样的，因为线程不会按照我们设想的去跑。如果线程2举杠铃先跑，整个流程的速度就下来了。

2.4 异步和同步，多线程与异步，单核与多核的不同

异步和同步的区别：在IO等待时，同步不会切走，等待浪费了时间。

多线程比较容易地实现了异步切换的思想， 因为多线程较容易写。多线程本身还是以同步完成，但是比不上异步的效率。

多核的好处，就是可以同时做事情， 这个与单核不一样。如果都是独占CPU的作业，比如举杠铃。在单核情况下，多线程和单线程没有区别。

3. 参考文章

并发 并行 同步 异步 多线程的区别