C#并行编程（1）：理解并行

程序状态字信息

CPU空闲时，会选择执行就绪状态的进程，被选中的进程进入

运行状态

• 进程优先级高时，将抢占当前正在执行进程的CPU资源，自身进入运行状态
• 操作系统会根据当前的可用资源，把就绪状态的进程挂起

当前没有就绪的进程，或者就绪挂起的某个进程具有较高的优先级，操作系统会将就绪挂起的进程恢复到就绪状态

进程自然结束、被强制终结或者出现无法解决的异常，将进入

终止

状态，终止的线程不再参与进程调度
• 进程到达运行的时间片或者出现优先级高的进程抢占了CPU，进程会回到就绪状态等待调度
• 进程等待资源、I/O或者信号时，会进入

  阻塞

  状态
• 优先级较高的进程抢占CPU,而此时系统资源不足，则正在运行的线程会被转入就绪挂起状态

进程阻塞的条件被满足，如等待的资源到位、I/O完成或收到信号，会进入就绪状态
• 进程在等待资源、I/O或者信号时，若系统检测到运行资源不足，会将阻塞的进程挂起进入

  阻塞挂起

  状态

当被挂起的进程具有较高优先级，同时由于其他进程的退出使资源充裕，进程会被转为阻塞状态
• 挂起的阻塞进程得到资源、I/O完成或者收到信号后，被转入就绪挂起状态

上述便是进程的调度过程，其中挂起的进程不占有任何资源。进程的调度很大程度是依赖于运行资源的；进程的优先级也是影响进程调度的重要因素；此外进程的调度还会涉及进程间的通信和同步问题，这里不做展开。

实际上，相对于进程，在并行编程中我们更关心线程，因为线程才是系统调度的基本单位。

线程的调度

在Windows系统中，每个进程至少有一个线程，每个线程都包含下面的内容：

• 线程内核对象，包含线程上下文（包含CPU寄存器信息的内存块）
• 线程环境块，包含线程的异常处理链首、本地存储数据等
• 用户模式栈，存储传给方法的局部变量和实参
• 内核模式栈，线程调用操作系统内核函数时，所传实参从用户模式栈复制到内核模式栈
• DLL线程连接和分离，线程创建和销毁时，所依赖的DLL需要收到通知才能执行相关资源的初始化和清理

从线程所含内容，我们可以知道线程的创建和销毁是有着时间和空间开销的，虽然这些开销相较于进程来说小了很多，但仍是影响程序效率的重要因素。特别是在并行处理的时候，线程的频繁创建和销毁将对并行性能产生极为严重的影响。

系统同一时间只给一个CPU核心分配一个线程，CPU执行该线程达一个时间片后，系统会给该CPU核心分配另一个线程。系统分配线程至CPU核心的过程就是线程的上下文切换过程，此间，系统将执行3个动作：

1. 把CPU寄存器的值保存到正在运行的线程上下文中
2. 从现有线程集合中选取一个线程准备分配
3. 把选中线程上下文中保存的CPU寄存器值加载到CPU寄存器中

线程上下文切换会对程序性能带来很严重的影响，特别是切换到一个新进程的新线程时，很可能需要从RAM中加载代码和数据，大家知道RAM相对于CPU高速缓存太慢了。

线程的创建、切换及销毁都是有着不可忽视的开销，在追求高性能的程序中，我们应尽量少地线程，最优性能的线程数是机器CPU的核心数。当然，性能只是程序的一个方面，响应性和可靠性也是要关注的重点。

小结

并行在进程层面依赖于系统可用系统资源和CPU核心数，单核CPU的程序并行，实质上是并发；在线程层面则主要依赖于CPU核心数以及我们安排线程的方式。

后续将以.NET为例总结并发编程。

注：本文关于进程和线程的相关内容以Windows操作系统为参考。