并发与并行

并发

并发指的是多个任务同一时间段内交替执行。

例如：

1
2
3

任务 A 执行一会儿
切换到任务 B
再切换回任务 A

在单核 CPU 上，也可以通过时间片轮转实现并发。

并行

并行指的是多个任务同一时刻真正同时执行。

例如在多核 CPU 上：

1 2	核心 1 执行任务 A 核心 2 执行任务 B

进程与线程

进程

进程是操作系统资源分配的基本单位。

每个进程有独立的：

地址空间
文件描述符
堆空间
栈空间
全局变量

线程

线程是CPU调度的基本单位。

同一个进程中的多个线程共享：

进程地址空间
全局变量
堆空间
文件描述符

每个线程独有：

线程栈
寄存器上下文
程序计数器

进程间通信（IPC）

常用方式：

管道（pipe）：pipe() 创建匿名管道，用于父子进程通信。
命名管道（FIFO）：用于无亲缘关系进程。
信号（signal）：异步通知，如 SIGTERM、SIGKILL。
共享内存（shm）：最快的数据交换方式，需同步机制。
消息队列、信号量等。

多线程的优势

多线程常用于：

提高 CPU 利用率
提升程序响应速度
处理 I/O 密集型任务
并行计算
后台任务处理

例如：

1
2
3

主线程负责 UI
工作线程负责网络请求
另一个线程负责文件读写

多线程的风险

多线程会带来一些问题：

数据竞争
死锁
活锁
线程饥饿
上下文切换开销
调试困难

数据竞争

当多个线程同时访问同一份共享数据，并且至少有一个线程进行写操作，同时没有使用同步机制，就会产生数据竞争。

示例：

#include <iostream>
#include <thread>

int counter = 0;

void add() {
    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
        ++counter;
    }
}

int main() {
    std::thread t1(add);
    std::thread t2(add);

    t1.join();
    t2.join();

    std::cout << counter << std::endl;
    return 0;
}

理论上结果应该是：

但实际可能小于 200000，因为 ++counter 不是原子操作。

它大致包含三步：

1
2
3

读取 counter
加 1
写回 counter

多个线程交叉执行时就可能出错。