如何向純潔的女朋友解釋併發與並行的區別?

現在我們都說設計可並行、高併發的程序,而且我們很多時候會在潛意識裡覺得自己對並行(Parallelism)和併發(Concurrency)的區別很清楚,但如果要明確的說出二者的區別,又感覺沒辦法給出一個非常清晰的描述。

那麼什麼是併發?什麼又是並行呢?並行的概念比較簡單,並行總是和執行(executions)相關,很多東西同時執行就是並行;而併發則是通過一些方式組織你的程序,讓它可以分成多個模塊去獨立的執行。並行必然是需要多核的,一個處理器是無法並行的;但併發和處理器並沒有什麼必然聯繫,在一個處理器上面,我們的程序也可以是併發的。

舉個簡單的例子,華羅庚泡茶,必須有燒水、洗杯子、拿茶葉等步驟。現在我們想盡快做完這件事,也就是“一共要處理很多事情”,有很多方法可以實現併發,例如請多個人同時做,這就是並行。並行是實現併發的一種方式,但不是唯一的方式。我們一個人也可以實現併發,例如先燒水、然後不用等水燒開就去洗杯子,所以通過調整程序運行方式也可以實現併發。

如果你覺得以上的講解還是太抽象了,下面通過一個小故事來講解,故事原型來自 Go 語言創始人之一 Rob Pike 的一篇演講。

故事的開始有一個需求:有一群地鼠要把一堆廢棄的說明書用小推車推到火爐去燒燬。

剛開始只有一隻地鼠,使用一輛推車,將書裝到車上,運輸到火爐旁,將書卸到火爐。完成任務必然需要比較長的時間。

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此時如果再增加一隻地鼠,那也沒什麼用,因為一隻地鼠在幹活,另一隻地鼠只能等待。(當然有人說兩隻地鼠輪流使用一輛推車,這樣可以讓地鼠得到休息,這樣它們幹活更快,也可以提高效率。)

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再找一輛推車來,兩隻地鼠分別使用各自的推車,將書裝到車上,運輸到火爐旁,將書卸到火爐。這樣會提高運輸效率,但它們會在裝書和卸書時進行排隊,降低了效率。

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這樣雖然比之前快了,但還是有瓶頸的。因為書只有一堆,火爐也只有一個,所以我們還必須通過消息來協調兩隻地鼠的行動。好吧,那我們再把書分成兩堆,再增加一個火爐。

如何向純潔的女朋友解釋併發與並行的區別?

這樣就比之前的效率高差不多一倍了。現在這個模型就是併發的,因為兩隻地鼠可以獨立完成一件事了,這樣提高了運輸效率,而且在裝書和卸書時不會進行排隊,提高了裝卸的效率。但這個模型不一定是並行的,比如同一時刻可能只有一隻地鼠在幹活。

上面就是第一種併發模型,我們還可以設計更多的併發模型,繼續看漫畫。

這次找了 3 只地鼠,一隻負責把書裝到車上,一隻負責運輸,一隻負責把書卸到火爐焚燒。每隻地鼠做一個獨立的任務,當然三隻地鼠之間需要使用一些諸如消息通信之類的手段進行協調。

如何向純潔的女朋友解釋併發與並行的區別?

裝書和燒書的兩隻地鼠都很輕鬆,負責運輸的這隻地鼠卻很累,系統出現了瓶頸。那我們再找一隻地鼠來,專門負責運回空推車。

如何向純潔的女朋友解釋併發與並行的區別?

我們在一個已有的設計(指三個地鼠的那個設計)中添加一個併發的步驟(第四隻地鼠)增強了系統的性能。這樣一來,兩隻地鼠去搞運輸,如果協調的好,理論情況下工作效率將是一隻地鼠的 4 倍。

總共有 4 個併發的步驟:

  1. 把書裝到車上;
  2. 把推車運到火爐旁;
  3. 把書卸到火爐裡;
  4. 運回空推車。

可以再增加一個分組,將這個併發模型並行化。

如何向純潔的女朋友解釋併發與並行的區別?

下面我們再來看另外一種併發模型。負責運輸的地鼠抱怨說運輸路程太長,那我們就增加一箇中轉站。

如何向純潔的女朋友解釋併發與並行的區別?

然後再增加一個分組,將這個併發模型並行化,兩個分組並行執行。

如何向純潔的女朋友解釋併發與並行的區別?

可以把上面的併發模型再改進一下。增加中轉站的同時,再增加兩隻地鼠,一隻負責將從書堆運過來的書卸到中轉站,另一隻負責將書從中轉站裝到推車裡,再讓後面的地鼠運輸到火爐旁。

如何向純潔的女朋友解釋併發與並行的區別?

然後再增加一個分組,將這個併發模型並行化。

如何向純潔的女朋友解釋併發與並行的區別?

漫畫到這裡就結束了,總共介紹了三種併發模型,每種模型都可以很容易地並行化。可以看到上面的併發模型每改進一次,其實就是將任務拆的更細了,一旦分解了問題,併發就自然而然產生了,每個人只專注於一個任務。

回到程序中,書就代表著數據,地鼠就是 CPU,而車可能就是序列化、反序列化、網絡等設施,火爐就是代理、瀏覽器或其他的消費者。而上面的併發模型就是一個可擴展的 Web Service。

該演講題目為《Concurrency is not Parallelism》,原文鏈接:

  • 演講幻燈片:https://talks.golang.org/2012/waza.slide
  • 演講視頻:https://www.youtube.com/watch?v=cN_DpYBzKso&t=550s

參考鏈接

  • https://my.oschina.net/3233123/blog/1047239
  • https://blog.csdn.net/claram/article/details/52094587


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