1. 概述
在操作系统中，我们经常需要处理多个任务的执行问题。这时候就离不开两个关键技术：并发（Concurrency） 和 并行（Parallelism）。
虽然这两个术语听起来很像，但它们的实现机制和适用场景完全不同。这篇文章会从底层原理到实际应用，带你彻底搞懂并发与并行的区别与联系。
2. 核心定义
在深入探讨并发与并行之前，先明确几个关键概念：
- ✅ 多处理（Multiprocessing）：在一个计算机系统中使用多个CPU。
- ✅ 多线程（Multithreading）：一个进程可以包含多个线程，这些线程可以并发执行。
- ✅ 分布式计算（Distributed Computing）：多个计算机系统作为一个整体运行，可以通过局域网或广域网连接。
- ✅ 多核处理器（Multicore Processor）：一个芯片上集成多个核心处理单元。
- ✅ 流水线（Pipelining）：多个指令在执行时可以重叠执行。
这些概念是理解并发和并行的基础，务必掌握。
3. 并发（Concurrency）
并发是指多个任务在重叠的时间段内执行。任务之间可以交替执行，但不一定真正同时运行。
比如，你一边听歌一边打字，看起来是同时进行的，其实操作系统是在多个任务之间快速切换，给人“同时进行”的错觉。
3.1 并发是如何工作的？
并发的核心目标是最大化CPU利用率。当一个线程在等待IO、数据库操作或外部程序时，另一个线程可以继续使用CPU。
操作系统通过时间片轮转（Round Robin）和上下文切换来实现并发。如下图所示：
⚠️ 注意：并发执行时，多个线程共享资源，尤其是写操作时容易引发数据竞争（Race Condition），必须通过锁机制（如synchronized、ReentrantLock）来保证线程安全。
4. 并行（Parallelism）
并行是指多个任务在同一时刻真正同时执行。它依赖于多核处理器或分布式系统。
比如，一个多核CPU可以真正同时执行多个线程，或者一个Hadoop集群可以同时处理多个节点上的数据。
4.1 并行是如何工作的？
并行通常出现在以下几种场景：
- ✅ 多核CPU上的多线程任务
- ✅ 分布式系统中的多个节点协同处理
- ✅ 流水线式指令执行（如GPU计算）
如下图所示，多个任务在不同核心上并行执行：
并行的优势在于提升计算效率，适用于计算密集型任务，如图像处理、大数据分析等。
5. 并发 vs 并行：关键区别
| 对比项 | 并发（Concurrency） | 并行（Parallelism） |
|---|---|---|
| 执行方式 | 交替执行，任务切换 | 真正同时执行 |
| 资源要求 | 单核或多核均可 | 通常需要多核或分布式系统 |
| 适用场景 | IO密集型任务（如Web服务器） | CPU密集型任务（如图像处理） |
| 实现难度 | 中等，需处理线程安全 | 较高，需处理数据同步与分布 |
| 典型例子 | Java线程池、Netty异步IO | Hadoop、Spark、GPU并行计算 |
5.1 举个例子
下图展示了并发和并行在两个核心上的执行方式：
左边是并发：两个核心交替执行两个任务；
右边是并行：两个核心同时执行两个任务。
5.2 常见陷阱
并发和并行虽然强大，但如果不小心使用，可能会带来严重问题：
- ❌ 死锁（Deadlock）：多个线程互相等待对方释放资源，导致程序卡死。
- ❌ 竞态条件（Race Condition）：多个线程同时修改共享变量，导致数据不一致。
- ❌ 资源饥饿（Starvation）：某些线程始终得不到CPU时间。
- ❌ 内存泄漏（Memory Leak）：未正确释放线程或对象引用，导致内存占用过高。
⚠️ 踩坑提醒：在并发编程中，不要盲目使用Thread.sleep()来解决同步问题，这是“掩耳盗铃”的做法，真正应该用的是锁、原子操作或并发工具类。
6. 支持并发与并行的编程语言和框架
Java 作为一门成熟的并发编程语言，内置了丰富的并发工具类（如java.util.concurrent包），同时也支持并行计算（如Fork/Join框架）。
下面是一些支持并发与并行的主流语言和框架：
✅ 共享内存语言
- Java（推荐）
- C（配合POSIX线程库）
- C++
✅ 分布式内存语言
- Go（推荐用于并发和分布式）
- Rust（推荐用于系统级并发）
- MPI（C/C++）
✅ 并行函数式语言
- Scala（Akka框架）
- LISP（早期并行语言）
✅ 大数据处理框架
- Hadoop
- Spark（推荐）
✅ 并发工具库
- Java的
ExecutorService、ForkJoinPool - Go的
goroutine和channel - Python的
multiprocessing和asyncio
✅ 建议：掌握并发/并行编程，不要只看语言本身，更重要的是理解底层机制，比如线程调度、锁机制、内存模型等。
7. 总结
并发和并行是现代系统设计中不可或缺的两个概念：
- ✅ 并发：多个任务交替执行，提升响应性，适用于IO密集型任务。
- ✅ 并行：多个任务同时执行，提升吞吐量，适用于CPU密集型任务。
- ⚠️ 并发 ≠ 并行，它们是两个不同的概念，但可以结合使用。
- ❌ 并发编程容易出错，要特别注意线程安全、死锁、竞态等问题。
- ✅ Java程序员应该熟练掌握并发编程，了解线程池、锁机制、volatile关键字、CAS算法等核心知识点。
掌握了并发与并行，才能写出高性能、高可用的系统。否则，再多的CPU资源也发挥不出来。