并发和并行的基础知识
1. 并发（Concurrency）的例子
场景：单核计算机同时运行多个应用程序
假设你正在使用一台单核 CPU 的计算机，你同时打开了以下任务：
- 任务 A：听音乐（音乐播放器）。
- 任务 B：编写文档（Word 文档）。
- 任务 C：下载文件（浏览器）。
虽然只有一个 CPU 核心，这些任务似乎在“同时”进行，但实际上计算机通过快速切换任务来实现并发：
如何实现并发？
-
任务切片：
- CPU 分配时间片（如 10 毫秒）给每个任务。
- 时间片到期后，切换到另一个任务。
-
任务调度：
- 操作系统（如 Windows 或 Linux）通过调度器管理任务的执行顺序。
- 任务的切换对用户透明，用户感知不到切换过程。
具体流程：
- 时间片 1：CPU 执行任务 A（播放音乐）。
- 时间片 2：CPU 切换到任务 B（处理文档）。
- 时间片 3：CPU 切换到任务 C（下载文件）。
- 重复上述步骤。
尽管 CPU 在某一时刻只能执行一个任务，但因为切换速度极快（毫秒级），你会感觉这些任务在同时运行。
代码模拟：单线程并发任务
以下示例模拟单核 CPU 的任务切换：
public class ConcurrencyExample {
public static void main(String[] args) {
Runnable musicTask = () -> {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
System.out.println("Playing music...");
sleep(100);
}
};
Runnable documentTask = () -> {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
System.out.println("Editing document...");
sleep(100);
}
};
Runnable downloadTask = () -> {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
System.out.println("Downloading file...");
sleep(100);
}
};
// 按顺序执行任务，模拟任务切换
for (int i = 0; i < 5; i++) {
musicTask.run();
documentTask.run();
downloadTask.run();
}
}
private static void sleep(int ms) {
try {
Thread.sleep(ms);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
运行结果：
Playing music...
Editing document...
Downloading file...
Playing music...
Editing document...
Downloading file...
...
- 每个任务交替运行，给人感觉是“同时”执行的。
- 本质上是通过快速切换来模拟并发。
2. 并行（Parallelism）的例子
场景：多核计算机同时运行多个任务
现在假设你使用一台四核 CPU的计算机，仍然执行以下任务：
- 任务 A：听音乐（音乐播放器）。
- 任务 B：编写文档（Word 文档）。
- 任务 C：下载文件（浏览器）。
- 任务 D：视频压缩（FFmpeg）。
在多核环境下，不同任务可以真正同时运行，每个任务分配到一个 CPU 核心：
如何实现并行？
-
多核 CPU 的任务分配：
- CPU 核心 1：执行任务 A（音乐播放器）。
- CPU 核心 2：执行任务 B（文档编辑）。
- CPU 核心 3：执行任务 C（文件下载）。
- CPU 核心 4：执行任务 D（视频压缩）。
-
真正的同时运行：
- 多核系统中，每个核心可以独立处理任务。
- 这些任务在物理上同时运行，不需要时间片轮转。
代码模拟：多线程并行任务
以下代码使用多线程模拟多核 CPU 的并行执行：
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class ParallelismExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个线程池，模拟 4 核 CPU
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(4);
// 定义四个任务
executor.submit(() -> playMusic());
executor.submit(() -> editDocument());
executor.submit(() -> downloadFile());
executor.submit(() -> compressVideo());
executor.shutdown();
}
private static void playMusic() {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
System.out.println("Playing music...");
sleep(100);
}
}
private static void editDocument() {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
System.out.println("Editing document...");
sleep(100);
}
}
private static void downloadFile() {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
System.out.println("Downloading file...");
sleep(100);
}
}
private static void compressVideo() {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
System.out.println("Compressing video...");
sleep(100);
}
}
private static void sleep(int ms) {
try {
Thread.sleep(ms);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
运行结果（顺序可能不同）：
Playing music...
Editing document...
Downloading file...
Compressing video...
Playing music...
Editing document...
Downloading file...
Compressing video...
...
- 每个任务分配到不同的线程，线程在多核 CPU 上真正同时运行。
- 输出顺序可能不同，取决于操作系统和线程调度器的工作方式。
3. 并发与并行的结合
场景：并发和并行的混合使用
假设：
- 你有 4 核 CPU。
- 运行 8 个任务（任务 A 到 H）。
操作系统会结合并发和并行来调度任务：
- 并行：
- 4 个任务同时运行在 4 核 CPU 上。
- 并发：
- 当某个任务阻塞时（如 I/O 操作），CPU 切换到其他任务继续执行。
示意图：
时间线： 核心 1 | A | | B | | A | | B |
核心 2 | C | | D | | C | | D |
核心 3 | E | | F | | E | | F |
核心 4 | G | | H | | G | | H |
4. 实际应用场景
| 场景 | 并发（Concurrency） | 并行（Parallelism） |
|---|---|---|
| 浏览器加载网页 | 同时处理多个请求（图片、视频、CSS 文件） | 在多核 CPU 上并行渲染页面、解码视频和执行脚本。 |
| 视频播放 | 同时缓冲、解码和播放视频流（逻辑上的并发）。 | 使用 GPU 解码并渲染视频帧（物理上的并行）。 |
| 编译代码 | 同时编译多个模块（逻辑并发）。 | 使用多核 CPU 同时编译多个模块（物理并行）。 |
| AI 训练 | 同时加载数据、更新参数（逻辑并发）。 | 使用 GPU 同时训练多个神经网络或并行处理不同的数据批次。 |
| 操作系统任务调度 | 多个任务共享 CPU 时间片，逻辑上的并发。 | 多核 CPU 上任务真正同时运行。 |
5. 总结
- 并发： 通过任务切换，多个任务在同一时间段内交替运行，强调任务管理和逻辑上的“同时进行”。
- 并行： 依赖多核或分布式系统，多个任务在物理上真正同时运行，强调性能和效率提升。