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                ### 9.3.1 串行、并發與并行 計算機執行程序時,如果采用按順序執行的方式,即僅當一個程序執行完畢,下一個程序才能開始執行,則稱為串行(serial)執行。在串行執行方式下,CPU 每次由一個程序獨 占使用,只要當前程序還沒有結束,下一個程序就不能使用 CPU。這就像排隊買東西,營 業員(即 CPU)每次只為一個顧客服務,等前面的顧客走了,后面的顧客才能獲得服務。 串行執行方式有一個缺點,即 CPU 的利用率不高。例如,當一個程序正在等待用戶輸 入,這時 CPU 會在相當長的時間內無事可做;但因為程序還沒結束,所以 CPU 又不能去執行別的程序。 為了提高 CPU 的利用率,計算機可以采用這樣的執行方式:當程序 P1 因為等待輸入或 其他原因而暫時不用 CPU 時,CPU 就去執行另一個程序 P2;當 P1 結束輸入時,CPU 再回 去繼續執行 P1。 其實這種執行方式并不稀奇,現實中就有很多類似的做法。例如,在郵局的服務窗口前 有多人排隊,如果第一個顧客要寄特快專遞,需要填寫很多信息,這時營業員就處于空閑狀 態。假設排在第二的顧客只是想買張郵票,這時如果營業員嚴格按照排隊原則講究先來后到 的話,那么即使沒事做也不能為后面的顧客服務,非得等到第一個顧客的事情處理完畢才接 待第二個顧客。這種方式顯然是非常低效的,服務質量很差。相反,如果營業員能夠趁第一 個顧客填寫信息時抽空為后面的顧客辦理業務,就能大大提高服務效率。又如,廚師做菜時, 如果一個菜正在鍋里煮著,廚師肯定會去處理第二個菜,而不是非要等到第一個菜做好了才 去做第二個菜。 那么,計算機能不能實現上述執行方式呢? 計算機程序的執行是由操作系統控制的,而現代操作系統都支持“多道程序”或“多任務”,即允許多個程序同時執行。相信讀者都有同時運行多個程序的經驗:一邊打開瀏覽器 瀏覽網頁,一邊打開 MP3 播放器聽音樂,一邊還掛著 QQ 聊天程序。注意,這里所謂的“同 時”是在宏觀意義上使用的。在微觀上,一個 CPU 不可能真正“同時”執行程序,因為 CPU 在任一時刻只能執行一條指令。操作系統其實是在讓多個程序分時使用 CPU,即 CPU 一會 兒執行 P1 程序的若干條指令,一會兒又轉而執行 P2 程序的若干條指令,然后又回到 P1 繼 續執行它的指令。總之,CPU 不停地在多個程序之間切換執行。由于 CPU 的運算速度非常 快,用戶感覺不到這種切換過程,因此從宏觀上看,就好像多個程序在同時執行一樣。這種 多個相互獨立的程序交叉執行的方式稱為并發(concurrent)執行。并發執行的多個程序的 起止時間是交叉重疊的,而不是串行執行方式下的前后相繼。 當然,如果計算機系統中有多個處理器(核心是 CPU),那么就可以做到真正的多個程 序“同時”執行,因為各 CPU 可以在同一時刻執行各自的指令。為了與單一 CPU 上的并發 相區別,我們稱這種執行方式為并行(parallel)執行。事實上,當今計算機技術的一個發 展方向就是多處理器并行計算。例如,中國的“天河一號”計算機曾經在全球最快計算機排 名中名列第一,它擁有 6144 個通用處理器和 5120 個加速處理器,其二期產品“天河一號 A”更是擁有 14336 個六核處理器、7168 個加速處理器和 2048 個八核處理器。即使在個人計算機領域,如今也普遍采用多核處理器,例如市場上已經有了 8 核處理器。
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