《Java 多线程实战系列》- 01 基本概念与底层原理

谁践踏了优雅 2024-04-08 10:28 23阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  多线程实战系列
 *   *  第一章 基本概念与底层原理
     *   *  01 串行、并行、并发
         *   *  串行
             *  并行
             *  并发
             *  并发 & 并行
             *  小结

## 多线程实战系列 ##

### 第一章 基本概念与底层原理 ###

#### 01 串行、并行、并发 ####

欢迎大家来学习「多线程编程」课程，本章节呢我们主要会讲解多线程编程的一些相关基本概念，以及它的底层实现原理。本小节主要讲述的是串行、并行以及并发，这三个基本的概念。

本节的目标呢，主要是有两个：

第一，了解「串行、并行、并发」这三个概念的一些含义；

第二，是本小节的重点，要对并行、并发这两个概念有一个清晰的认识，了解他们之间的区别。

##### 串行 #####

好的，那我们先来看一下第一个概念，串行（Sequential）

它的定义，简单的来讲呢，就是在同一时间里，我们只能做一件事情，而且是要按照顺序依次进行的。

那在程序上来看呢，就是后面的代码段，必须要等到前面的代码段执行完毕之后，才能执行。

咱们来看一个生活中常见的例子，我们现在有钱了，买了套房子，马上就要开始装修了，但是呢我们钱不多了，现在的经费有限，只请得起一个师傅来装修房屋。

他一共有三件任务，第一项任务是拆墙，第二项任务是安装水电线，第三项任务是刷墙和铺地板。

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跟师傅沟通之后，得知拆墙得用 2 天，安装水电线要 1 天，刷墙和铺地板也要 3 天。你看，如果这一个师傅从头到尾装修下来后，总需要耗费的时间就是 2 + 1 + 3 = 6 天，一共要花费 6 天的时间才能完成装修房子的整个任务。

因此呢，我们去算它的总耗时，就是每一个任务完成时间，进行一个累加，它们的和就是它的总耗时。

##### 并行 #####

接着，我们来看第二个概念，并行（Parallelism）。

它的定义，简单的来讲呢，就是在同一时刻，很多个任务可以同时开始进行，而且这些任务之间彼此没有依赖关系。

继续用房子装修作为案例。假设我们又有钱了，现在的经费非常充足，咱可以请三个师傅。

每个师傅可以负责他自己所对应的那个任务，比如王师傅他只需要是拆墙，李师傅只需要安装水电线，陈师傅只需要去刷墙和铺地板。此时你看，在条件允许的情况下，他们三个师傅就可以同时开干了。

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这时候，我们再来看一下图，可以很清楚地看到，整个装修房屋的工程呢，只需要三天时间就可以完成了。

因此，在装修房屋的整个任务中，咱们采用了并行这个方式呢，可以让整个任务的总耗时更少，而实质上你可以发现，它是取决于耗时最长的内建子任务所需要的时间。

哪个任务的耗时最长呢？在图中可以看出，是刷墙和铺地板，需要 3 天。

##### 并发 #####

接着，我们来看第二个概念，并发（Concurrency）。

它的定义，也很简单，它是采用的是交替的方式，主要是利用等待某件事情完成的时间，去做其他的事情。

比如，你开始做饭的时候，可以先把米下锅，然后再去洗菜、炒菜，甚至中途还可以按一下洗衣机洗衣服。

继续用房子装修作为案例。此时，我们不小心又变穷了，现在的经费呢又不足了，只请得起一个师傅。

师傅开始干活了，他现在干的第一件事情，是刷墙和铺地板，这个任务的耗时，是三天的时间。要注意，装修的时候，咱刷完墙、铺好地板之后，是不是还得让它风干了才行？假设，刷墙、铺地板要耗费 2 天，全部好之后，最后 1 天就留着让它风干。

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那你想，在风干的这个阶段里，咱师傅其实是没活干的，那就可以安排他去安装水电线呀。工作调整后，是不是就可以把风干的这么一天的时间节省下来，去完成了安装水电线的任务。当水电线的安装任务完成后，墙壁和地板的风干也结束了，是不是就在 3 天的时间里，同时把这两个任务都完成了？

接下来，他就可以进行拆墙的任务了，再花费 2 天的时间即可。

因此，整个装修房子的任务，只需要 5 天的时间，因为我们把风干的这一天节省了下来，同时去完成了安装水电线的工作。

##### 并发 & 并行 #####

通过前面的讲解，相信大家对串行、并行、并发这三个基本概念有了一定的了解。

接下来，让我们重点来讲解一下「并行与并发」之间的关系以及区别。

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先看第一个图，好比现在只有一个 CPU，它同时面对了 A、B、C 三个任务，在同一时刻，一个 CPU 只能执行同一个任务。

在 CPU 中，首先去执行了任务 A，在执行任务 A 的过程当中，可能会碰到外力的一些阻碍，而导致了任务 A 暂时进入等待。

在等待的过程中，此时 CPU 是空转的，那如果想提高我们 CPU 的利用效率，来多节省点儿时间，该怎么办呢？

在等待任务 A 的过程中，我们可以把 CPU 拿来执行其他任务，比如任务 B。当我们去执行任务 B 的时候，可能也会碰到类似的，需要继续等待的情况。

这时候，也许 A 和 B 都依然是等待的状态，不过没事儿，我们可以继续去完成任务 C。在执行 C 的过程当中呢，我们发现 A 已经就绪了，那 CPU 此时就可以转回头去执行它。

你看，在我们的 CPU 里面，执行任务的时候，其实会不断地进行切换，通过这样的交替、反复的过程去实现更高效地完成任务。

CPU 在执行任务的时候，它的运行速度，实际上是非常非常快的。

从宏观层面上看，人类肉眼是无法感知得到这个切换间隙的，在我们看来，它从未中断过，是一直在执行的。所以，在我们人类看来，这些任务 A、B、C，都是同时就完成了的。

但是在微观上而言，因为在同一时间呢，CPU 只能完成一件任务。任务 A、B、C，实际上就是交替完成的，这就是并发。

但如果我们的资源比较充足，就跟我们前面装修的例子一样，经费充足的情况下，可以同是请三个师傅来开工，那效率一下子就上去了。

对于计算机来说，如果我们有三个 CPU，每个 CPU 都可以投入执行对应的任务。比如第一个 CPU 执行任务 A，第二个 CPU 执行任务 B，第三个 CPU 执行任务 C。

那这三个任务，同时开始执行，那它们的完成时间当然就更快了，这就是并行。

如果说，我们目前仍然只有三个 CPU，但需要处理 10 个任务的话，会发生什么不同吗？

实际上不会，一定要明白一个不变的事实，在同一时间里，一个 CPU 只能完成一件任务。此时，三个 CPU 那也只能有三个任务可以去执行，剩下的七个任务，也是需要进行等待的。

##### 小结 #####

通过前面的小案例，咱们详细讲解了串行、并行、并发等几个概念，相信大家对这些基本概念，都有了一个初步的了解，那我们现在来小结一下。

这个并发的出现，我们可以看到它肯定是比传统串行的系统的效率，提高了不少，还极大地节省了时间。

就像前面的案例中，我们只有一个师傅的时候，如果是按干完一件任务再干下一件的顺序，那效率肯定是不高的。

但是采用了并发的方式后，可以把装刷墙、铺地板后的风干环节，合理地规划出来，就能节省出一天的时间，就足够拿来安装水电线了。

不过，在并发的过程中，也会带来了一些额外的性能开销。在 CPU 内部，它从一个任务中切换去完成另外一个任务的时候，是需要进行系统调度和上下文切换的，这个过程中都会带来一些性能开销。

关于 CPU 性能上的问题，我们后面再去做更细致的分析和讲解吧。

另外一个，多核 CPU 的出现，使并行成为了可能，极大程度上地提高了我们现在计算机的处理能力啊，像四核、八核的 CPU 已经非常普遍了，它们的性能特别的强，非常猛。

目前，大型的互联网公司，因为业务比较庞杂，加上海量的数据需要处理，哪怕你有一两台电脑性能很好的机器，恐怕也是不行的，他们如何解决呢？

在企业中，一般都会采用集群的搭建方式，十台机器不够，就上一百台机器，往上加就好了。这样就有足够的性能，能够支持去应对一些很大规模、很复杂的任务了。

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