### 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。