### 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。
- 前言
- 第 1 章 計算與計算思維
- 1.1 什么是計算?
- 1.1.1 計算機與計算
- 1.1.2 計算機語言
- 1.1.3 算法
- 1.1.4 實現
- 1.2 什么是計算思維?
- 1.2.1 計算思維的基本原則
- 1.2.2 計算思維的具體例子
- 1.2.3 日常生活中的計算思維
- 1.2.4 計算思維對其他學科的影響
- 1.3 初識 Python
- 1.3.1 Python 簡介
- 1.3.2 第一個程序
- 1.3.3 程序的執行方式
- 1.3.4 Python 語言的基本成分
- 1.4 程序排錯
- 1.5 練習
- 第 2 章 用數據表示現實世界
- 2.1 數據和數據類型
- 2.1.1 數據是對現實的抽象
- 2.1.1 常量與變量
- 2.1.2 數據類型
- 2.1.3 Python 的動態類型*
- 2.2 數值類型
- 2.2.1 整數類型 int
- 2.2.2 長整數類型 long
- 2.2.3 浮點數類型 float
- 2.2.4 數學庫模塊 math
- 2.2.5 復數類型 complex*
- 2.3 字符串類型 str
- 2.3.1 字符串類型的字面值形式
- 2.3.2 字符串類型的操作
- 2.3.3 字符的機內表示
- 2.3.4 字符串類型與其他類型的轉換
- 2.3.5 字符串庫 string
- 2.4 布爾類型 bool
- 2.4.1 關系運算
- 2.4.2 邏輯運算
- 2.4.3 布爾代數運算定律*
- 2.4.4 Python 中真假的表示與計算*
- 2.5 列表和元組類型
- 2.5.1 列表類型 list
- 2.5.2 元組類型 tuple
- 2.6 數據的輸入和輸出
- 2.6.1 數據的輸入
- 2.6.2 數據的輸出
- 2.6.3 格式化輸出
- 2.7 編程案例:查找問題
- 2.8 練習
- 第 3 章 數據處理的流程控制
- 3.1 順序控制結構
- 3.2 分支控制結構
- 3.2.1 單分支結構
- 3.2.2 兩路分支結構
- 3.2.3 多路分支結構
- 3.3 異常處理
- 3.3.1 傳統的錯誤檢測方法
- 3.3.2 傳統錯誤檢測方法的缺點
- 3.3.3 異常處理機制
- 3.4 循環控制結構
- 3.4.1 for 循環
- 3.4.2 while 循環
- 3.4.3 循環的非正常中斷
- 3.4.4 嵌套循環
- 3.5 結構化程序設計
- 3.5.1 程序開發過程
- 3.5.2 結構化程序設計的基本內容
- 3.6 編程案例:如何求 n 個數據的最大值?
- 3.6.1 幾種解題策略
- 3.6.2 經驗總結
- 3.7 Python 布爾表達式用作控制結構*
- 3.8 練習
- 第 4 章 模塊化編程
- 4.1 模塊化編程基本概念
- 4.1.1 模塊化設計概述
- 4.1.2 模塊化編程
- 4.1.3 編程語言對模塊化編程的支持
- 4.2 Python 語言中的函數
- 4.2.1 用函數減少重復代碼 首先看一個簡單的用字符畫一棵樹的程序:
- 4.2.2 用函數改善程序結構
- 4.2.3 用函數增強程序的通用性
- 4.2.4 小結:函數的定義與調用
- 4.2.5 變量的作用域
- 4.2.6 函數的返回值
- 4.3 自頂向下設計
- 4.3.1 頂層設計
- 4.3.2 第二層設計
- 4.3.3 第三層設計
- 4.3.4 第四層設計
- 4.3.5 自底向上實現與單元測試
- 4.3.6 開發過程小結
- 4.4 Python 模塊*
- 4.4.1 模塊的創建和使用
- 4.4.2 Python 程序架構
- 4.4.3 標準庫模塊
- 4.4.4 模塊的有條件執行
- 4.5 練習
- 第 5 章 圖形編程
- 5.1 概述
- 5.1.1 計算可視化
- 5.1.2 圖形是復雜數據
- 5.1.3 用對象表示復雜數據
- 5.2 Tkinter 圖形編程
- 5.2.1 導入模塊及創建根窗口
- 5.2.2 創建畫布
- 5.2.3 在畫布上繪圖
- 5.2.4 圖形的事件處理
- 5.3 編程案例
- 5.3.1 統計圖表
- 5.3.2 計算機動畫
- 5.4 軟件的層次化設計:一個案例
- 5.4.1 層次化體系結構
- 5.4.2 案例:圖形庫 graphics
- 5.4.3 graphics 與面向對象
- 5.5 練習
- 第 6 章 大量數據的表示和處理
- 6.1 概述
- 6.2 有序的數據集合體
- 6.2.1 字符串
- 6.2.2 列表
- 6.2.3 元組
- 6.3 無序的數據集合體
- 6.3.1 集合
- 6.3.2 字典
- 6.4 文件
- 6.4.1 文件的基本概念
- 6.4.2 文件操作
- 6.4.3 編程案例:文本文件分析
- 6.4.4 緩沖
- 6.4.5 二進制文件與隨機存取*
- 6.5 幾種高級數據結構*
- 6.5.1 鏈表
- 6.5.2 堆棧
- 6.5.3 隊列
- 6.6 練習
- 第 7 章 面向對象思想與編程
- 7.1 數據與操作:兩種觀點
- 7.1.1 面向過程觀點
- 7.1.2 面向對象觀點
- 7.1.3 類是類型概念的發展
- 7.2 面向對象編程
- 7.2.1 類的定義
- 7.2.2 對象的創建
- 7.2.3 對象方法的調用
- 7.2.4 編程實例:模擬炮彈飛行
- 7.2.5 類與模塊化
- 7.2.6 對象的集合體
- 7.3 超類與子類*
- 7.3.1 繼承
- 7.3.2 覆寫
- 7.3.3 多態性
- 7.4 面向對象設計*
- 7.5 練習
- 第 8 章 圖形用戶界面
- 8.1 圖形用戶界面概述
- 8.1.1 程序的用戶界面
- 8.1.2 圖形界面的組成
- 8.1.3 事件驅動
- 8.2 GUI 編程
- 8.2.1 UI 編程概述
- 8.2.2 初識 Tkinter
- 8.2.3 常見 GUI 構件的用法
- 8.2.4 布局
- 8.2.5 對話框*
- 8.3 Tkinter 事件驅動編程
- 8.3.1 事件和事件對象
- 8.3.2 事件處理
- 8.4 模型-視圖設計方法
- 8.4.1 將 GUI 應用程序封裝成對象
- 8.4.2 模型與視圖
- 8.4.3 編程案例:匯率換算器
- 8.5 練習
- 第 9 章 模擬與并發
- 9.1 模擬
- 9.1.1 計算機建模
- 9.1.2 隨機問題的建模與模擬
- 9.1.3 編程案例:乒乓球比賽模擬
- 9.2 原型法
- 9.3 并行計算*
- 9.3.1 串行、并發與并行
- 9.3.2 進程與線程
- 9.3.3 多線程編程的應用
- 9.3.4 Python 多線程編程
- 9.3.5 小結
- 9.4 練習
- 第 10 章 算法設計和分析
- 10.1 枚舉法
- 10.2 遞歸
- 10.3 分治法
- 10.4 貪心法
- 10.5 算法分析
- 10.5.1 算法復雜度
- 10.5.2 算法分析實例
- 10.6 不可計算的問題
- 10.7 練習
- 第 11 章 計算+X
- 11.1 計算數學
- 11.2 生物信息學
- 11.3 計算物理學
- 11.4 計算化學
- 11.5 計算經濟學
- 11.6 練習
- 附錄
- 1 Python 異常處理參考
- 2 Tkinter 畫布方法
- 3 Tkinter 編程參考
- 3.1 構件屬性值的設置
- 3.2 構件的標準屬性
- 3.3 各種構件的屬性
- 3.4 對話框
- 3.5 事件
- 參考文獻