进程与线程

一、并发系统的第一性原理

1. 并发的本质是什么？

并发不是为了更快，而是为了更好地使用有限资源。

在任何计算系统中，都存在三种不可回避的约束：

  1. **计算资源有限**（CPU 核心、内存、I/O）
  2. **任务数量不确定**（用户请求、系统服务、后台作业）
  3. **任务执行时间不可预测**（I/O、外部事件、中断）

因此，并发系统的本质目标是：

在有限资源条件下，对多个任务的时间、状态与共享资源进行有序管理。

这直接引出并发系统必须回答的三个根本问题：

  1. **执行单元是什么？**（谁在“跑”）
  2. **如何分配 CPU？**（谁先跑、跑多久）
  3. **如何安全协作？**（如何共享而不出错）

后续所有概念，都是这三个问题的不同解法。

二、执行单元的抽象演进：进程 · 线程 · 协程

2.1 执行单元的设计哲学

执行单元的演进，本质是三种诉求之间的权衡：

2.2 进程：资源隔离的基本单位

进程不是“正在运行的程序”，而是：

一个拥有独立资源视图的执行容器。

原理层定义

设计动机

代价

进程解决的是“安全与隔离”问题，而不是“高并发”问题。

2.3 线程：共享资源下的并发执行

线程的引入不是为了节省 CPU，而是为了节省“进程的重复成本”。

原理层定义

线程是共享进程资源的执行流，是调度的基本单位。

核心特征

本质权衡

获得付出
更低创建/切换成本共享状态导致复杂性
更高并发能力同步与一致性问题

线程本质上是：用复杂性换性能。

2.4 协程：调度权下放到用户态

协程的出现不是因为线程“不够快”，而是因为“内核调度太贵、太不可控”。

原理层定义

协程是由程序显式让渡执行权的执行单元。

关键特征

本质优势

本质限制

协程的核心价值在于：控制权，而不是并行度。

2.5 执行单元统一对比（原理层）

维度进程线程协程
抽象层级资源容器执行流调度原语
资源隔离强无无
调度者内核内核用户态
切换成本高中极低
设计目标安全并发可控

三、调度：有限 CPU 的分配艺术

3.1 调度的第一性问题

当多个执行单元同时就绪，而 CPU 有限时，谁先运行？运行多久？

调度的本质是一个资源分配问题，不存在绝对最优解，只有目标权衡。

3.2 调度目标的分类

系统类型核心目标
批处理系统吞吐量、周转时间
交互式系统响应时间、公平性
实时系统截止时间、可预测性

调度算法的差异，本质是目标函数不同。

3.3 策略与机制分离

操作系统只负责提供“如何切换”，不决定“该切换给谁”。

这是调度设计中最重要、也最稳定的思想之一。

四、协作与约束：并发正确性的核心

4.1 并发错误的根源

所有并发错误，本质都来自：

多个执行单元，在不可预测的时序下，访问共享状态。

这导致三类问题：

4.2 临界区：共享状态的最小边界

临界区不是代码问题，而是“状态所有权”的问题。

设计原则：

  1. 同一时刻只允许一个执行单元进入
  2. 不依赖 CPU 数量与速度假设
  3. 不阻塞临界区外的执行
  4. 有限等待

4.3 同步机制的抽象分层

第一层：忙等待（时间换简单）

第二层：阻塞同步（让出 CPU）

第三层：结构化并发

第四层：避免共享

同步机制的演进趋势：从“控制访问”到“消除共享”。

五、通信模型：共享内存 vs 消息传递

5.1 两种世界观

模型核心思想
共享内存状态共享 + 同步约束
消息传递状态隔离 + 显式通信

两者不是对错，而是复杂性转移的位置不同。

5.2 IPC 机制的层级关系

六、经典并发问题的统一视角

问题本质
哲学家就餐资源竞争 + 死锁
读者-写者不同访问语义
生产者-消费者速率不匹配

这些问题的价值不在解法，而在于：

暴露并发系统中不可避免的结构性矛盾。

七、从操作系统到语言运行时

7.1 为什么现代语言要“重造并发模型”？

因此出现：

并发的未来，不是更快的线程，而是更高层的抽象。

八、总结：稳定知识的沉淀

这套并发体系中，真正长期稳定的不是 API，而是：

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