并发程序设计：提高CPU利用率与操作系统支持

"并发程序设计涉及在单处理机和多处理机环境中，通过进程或线程的交替执行和并行处理来提高计算效率。在并发编程中，程序的不同部分可以同时执行，从而优化了时间利用。本文将探讨并发程序的概念、并发关系以及操作系统如何为并发程序设计提供支持。 9.1 并发程序的概念 并发程序设计的核心是让多个任务在看似同一时刻执行。在单处理机系统中，这通常通过时间片轮转的方式实现，即每个进程在CPU上分配一定的时间执行，之后被切换到等待状态，以便其他进程可以继续执行。而在多处理机系统中，进程可以在不同的处理器上并行运行，实现真正的并行处理。例如，一个经典的问题是读取四个数，对第一个数进行处理得到A，然后用A与后续三个数分别计算得到B、C和D，最后将B、C、D组合成结果。在并发编程中，可以将读取操作和计算操作设计为并发执行，以缩短总执行时间。 9.2 操作系统提供的支持 为了支持并发程序设计，操作系统提供了以下关键功能： 9.2.1 创建进程/子进程机制 - fork机制：在UNIX系统中，`fork()`系统调用可以创建一个新的子进程，其内存映像与父进程相同。完成后，可以通过`join`语句合并父进程和子进程。 - cobegin/coend机制：这种机制允许指定代码块并发执行，操作系统为每个代码块创建独立的子进程。当所有子进程执行完毕，父进程才会结束。 9.2.2 进程间通信 (IPC) 为了使并发进程能够共享数据和协调工作，操作系统提供了各种进程间通信机制，如管道、信号量、消息队列、共享内存等，使得进程可以安全有效地交换信息。 9.2.3 线程机制 除了进程，操作系统还支持线程作为更轻量级的并发执行单元。线程共享同一地址空间，可以快速切换，减少了上下文切换的开销。线程间的通信通常比进程间通信更为高效。 并发程序设计不仅涉及到技术实现，还需要考虑同步和互斥问题，以防止数据竞争和不一致性。常见的同步机制包括互斥锁、信号量、条件变量等，它们用于控制对共享资源的访问。 在实际编程中，开发者需要根据问题的特性，合理地划分并发任务，选择合适的并发模型（如进程、线程或协程），并使用适当的同步原语来确保程序的正确性和性能。例如，在上述问题中，读取操作可以并行进行，而计算操作则需要在数据准备好后顺序执行，因此可以利用这些特点设计并发程序。 并发程序设计是提升系统效率的关键技术，它涉及到操作系统、进程管理、线程机制等多个方面。理解和掌握这些概念和技术，对于开发高效、响应迅速的应用至关重要。在实际应用中，还需要结合具体场景进行细致的设计和优化，以充分利用计算资源，提高系统的整体性能。"