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并發的錯覺
并發的錯覺
池建強      阅读简体中文版

cpubrain

  今天聊一聊電腦和人腦的并發問題。

  在計算機發展初期,CPU的計算能力非常有限,計算資源稀缺而昂貴。最早的時候一個CPU只能同時運行一個任務,這簡直讓人無法忍受。什么叫做只能運行一個程序呢?這就像大學上自習占座一樣,一旦一本書、一張紙、一個包或一個活人占有了那個桌子,其他人就再也沒法用了,無論是這個人出去上廁所,踢球,你都不能去用那個座位,如果你賊膽包天敢偷著去坐,這時候就會有個神秘人突然拍拍你的肩膀告訴你「童靴,這里有人」,這就是常說的「見鬼的故事」。故事里的座位就是CPU,無論當前任務在使用CPU進行計算,還是在讀寫磁盤IO或進行網絡交互,丫都得占著CPU,黑客極客和各種無證程序員們覺得,這,不,科,學!

  于是大家試圖通過各種方式來改變這一現象。首先出場的是多通道程序,程序員們很快寫了一個監控程序,發現當前任務不用CPU計算時,就喚醒其他等待CPU資源的程序,讓CPU資源能夠得到充分利用。但多通道的問題是調度乏力,不分青紅皂白和輕重緩急,不管是急診還是普通門診,該等都得等。

  第二出場的是分時系統,分時系統是一種協作模式,每個程序運行一小段時間都得主動把CPU讓出來給其他程序,這樣每個程序都有機會用到CPU一小段時間。這時操作系統的監控程序也完善了一些,能夠處理相對復雜的請求。早期的Windows和Mac OS(注意沒有X)都是采用這種方式來調度程序的。分時系統的問題是,一旦某個程序死循環,系統就沒招了,只能干等著,就像死機了一模一樣,程序員們說,這是不可接受的!

  第三個隆重登場的是多任務系統,程序員們讓操作系統接管了所有的硬件資源,變得更加高級智能,系統進程開始分級,有的是特權級別,有的是平民級別(你就知道,在計算機世界都特么是這個樣子!),所有的應用程序以進程和線程方式運行,CPU的分配方式采用了搶占式,就是說操作系統可以強制把CPU的資源分配給目前最需要的程序。程序員們成功了,幾乎完美的控制了一切,并造成了很多任務都在同時運行的假象,如果用兩個字來形容的話,那就是「和諧」!目前OS X、Unix、Linux、Windows都是采用這種方式進行任務管理的。

  以上都是單核單CPU的情況,但無論線程間的切換多么快,這些都是并發,而不是并行。

好吧,中間插播一段并發和并行的區別。
并發的英文單詞是Concurrency,并行是Parallelism。
如果一個系統支持兩個或多個動作(Action)同時存在,那就是一個并發系統。
如果一個系統支持兩個或多個動作同時執行,那就是一個并行系統。
也就是說,單個CPU永遠無法同時執行兩個或以上的任務,但是允許任務同時存在。
所以,只有多核或多個CPU才可能發生并行,如果單核單CPU只能發生并發行為。
如果有人以為單核單CPU的并發就是同時執行很多任務,那么這是個錯覺。

  不知道解釋清楚了木有。插播完畢!

  終于,多核CPU和分布式系統被干出來了,一臺計算機可以擁有多顆CPU,每顆CPU可以有多核,同時,成千上萬臺的機器被連接在一起進行計算,大家一看都暈了,史稱「云計算」。隨著硬件的變化,軟件技術同時開始革新,各種語言開始支持并行計算,比如Erlang/Scala的Actor&Message模型,Go語言的goroutine機制,Java的ForkJoinPool,Objective-C的Grand Central Dispatch技術,當然還有Hadoop等分布式框架。

  總之,到了目前這個階段,無論是并發,還是并行,計算機和CPU都算是解放了,它們不僅在單臺機器上可以執行并行計算,在橫向擴展上也變得隨心所欲,各種云平臺應運而生,公有云私有云混合云balabala,反正是比較暈……

  人腦就比較慘了,在電腦突飛猛進的這幾十年里,幾乎沒有任何進展,腦袋仍然只有一個,也沒有裂變出多核……

  上文書談了電腦的并發和并行的事情,有讀者反饋,像一個有趣的教科書!我特么最煩教科書,就因為教科書,哥寫了幾年程序才把這些事捋清楚,為了讓你們不再重蹈覆轍,我容易嗎我!

  好,下面我們談一下人腦的并發,先看一個讀者反饋,你們感受一下:

看過一個關于人腦的理論,說不清是并發還是異步。有時候我們很努力的想一個問題,但卻怎么也想不起來,于是我們放棄了。但是大腦并沒有放棄,此時它會自動起一個gorouting,繼續在大腦的各個角落去尋找這個記憶碎片,當找到時執行回調告訴你。而此時你可能正邊洗澡邊哼著小曲兒!

  關于人腦的機制,其復雜程度超過CPU何止萬倍,比如上古奇人周伯通郭靖小龍女的雙手互搏到底是并發還是并行呢,Mac君萬不敢斷言,未來還是讓研究人腦圖譜的人去探索其真正的奧秘吧。我們在這篇文章中把「一心二用」或「一心多用」統稱為人腦的并發。

  俗話說「一心不能二用」,這句話常常送給那些做事三心二意的人,但是我們真的不能一心多用嗎?或者說并發帶給我們的到底是效率的提升還是狀態的下降?關于這件事Mac君的看法是,不可一概而論。「好吧,那位同學請把磚頭繼續放入懷中,我們還沒有講完」。

  關于人腦的多任務處理,應該從個人特點、所處環境和任務特性來考慮。

  其實人腦天生就是用來處理多任務的,比如你可以一邊洗澡一邊唱歌,一邊看電影一邊磕瓜子還要注意不要被飛來的磚頭砸到等等,不過這樣的多任務都是在放松環境下的簡單任務,對我們提升效率沒什么意義。

  但是,當我們在健身房跑步時聽英語,寫文章或編碼的時候聽歌(所有不讓聽音樂編程的公司都將死于心碎),坐地鐵的時候閱讀,步行的時候思考,這就變得非常有意義的,因為我們在一個相對寬松的環境下把復雜的邏輯任務和簡單的機械任務結合在一起,既不影響A,也不會干擾B,這種情況是我們優先要采取的并發策略。

  類似的事情,比如開車時聽英語,就要因人而異了。我有近10年的駕駛經驗,喜歡開車,駕駛基本上已經形成下意識的動作,從出發到目的地往往不會記得自己做了哪些操作,所以我經常開車時聽英語并有所收獲。但有些人開車僅僅是駕駛已經夠緊張忙亂了,倒一次車能車頭入絕不車尾進,開次長途出的汗夠洗澡的,那么就專心開車好了,車內最好保持安靜或聽一些舒緩的音樂。

  我曾經看過一本叫做《錯覺》的書,書中有一段描述了一位機長在飛機飛行的過程中發現機上設備出了點小故障,于是他和副機長一起排查,接著又找來機械師,哥三忙的不亦樂乎,過了一段時間,有人問,誰在開飛機呢?這時飛機無人駕駛已經很久了,等反應過來之后,飛機已經開始俯沖墜地,機上人員全部罹難!這種空難并不是意外,一架狀況良好的飛機直接撞向地面不是偶爾發生,這種現象在航空領域被稱作「可控飛行撞地」,其根本原因就是,人們太相信自己的多任務處理能力!

  駕車雖然比駕駛飛機簡單多了,但同樣是一項非常危險的工作,所以我建議大家,聽聽音樂就好,另外千萬別玩手機。

  還有一種情況就是,在同一時間做兩項或多項復雜任務,比如你讓程序員在編碼的同時幫助別人解決問題,能不能做好?也許有人可以,但我的感覺是,這種安排效率反而會打折扣。 人們在很多時候會低估自己的能力,但在更多時候會高估自己。在復雜任務并發處理的時候,人腦往往會高估自己的處理能力,以為可以,其實任務的并行,上下文的切換,注意力的分散,都會讓你的效率大打折扣,所以設計模式中的職責單一原則不是蓋的,一個類盡可能只做一件事情,無論是效率還是后期維護都會好很多,人腦其實也是一樣。

  總結一下:

  1. 簡單任務的并發是大腦天生的nature,每個人都不在不自覺的應用。
  2. 在寬松的環境中讓簡單機械的任務和復雜有機的任務并行完成是非常不錯的做法,提高效率節省時間。
  3. 在高危環境中(駕駛、高空作業等等)我們應該專心致志的只做當前的工作。
  4. 對于復雜任務,我們最好一件一件完成,即使有些人能夠同時處理多重任務,那也需要長期的艱苦訓練,比如郭靖君,你能否做到,就得看有沒有周伯通那樣的大哥!

  后記:

  今天給大家介紹一個命令來隱藏文件和文件夾,比如你不想在桌面上看到那么多文件和圖標,或者不想讓別人看到,只需要打開終端輸入如下命令:

  chflags hidden ~/Desktop/*

  想恢復原狀:

  chflags nohidden ~/Desktop/*

 

2013-08-20 11:12

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