什么是并发

一种实现并发的方式是将每个计算执行单元实现为操作系统进程或单个操作系统进程中的一组线程。并发组件可以通过改变共享内存位置的内容进行通信，这需要使用诸如互斥锁、信号量或监视器之类的锁定机制来协调线程之间的操作。它们也可以通过异步交换消息或使用同步"会合"风格进行通信。

即使并发部分无法并行执行，将软件系统构造为由多个并发通信部分组成也有助于应对复杂性。并发进程可以通过时间分片在单个核心上交错执行步骤，其中一次只有一个进程运行，而其他进程则暂停和恢复。

并发计算也可以通过将每个进程分配给单独的处理器或处理器内核，或者在网络上分发计算来并行执行。并发系统中任务的确切执行时间取决于调度，任务不一定总是并发执行 ，也可能按顺序串行执行和完成。

并发计算提供了诸如增加程序吞吐量、提高输入/输出响应能力以及更适合某些问题的程序结构等优势。

并发组件可以通过修改共享内存位置的内容来进行通信，这通常需要使用诸如互斥锁、信号量或监视器等锁定机制来协调线程之间的操作。Java和C#等语言就是采用这种并发编程风格。

并发组件也可以通过交换消息的方式进行通信，这种通信可以是异步的，也可以采用同步"会合"的方式。消息传递并发编程在MPI、Go、Scala、Erlang和occam等语言中有所体现，通常被认为是一种更加健壮的并发编程形式。

并发测试通常与负载测试、软件性能测试、可靠性测试和容量测试等同，是一种非功能性测试，用于在生产负载下验证用户体验。在应用中，并发测试可能涉及使用模拟协议层并发交互的自动化API测试，也可能使用真实浏览器在用户界面层面进行测试。

消息传递可以通过对称多处理有效实现，无论是否具有共享内存缓存一致性。共享内存和消息传递并发具有不同的性能特征，需要根据具体场景进行选择。

并发控制是确保不同计算执行之间交互和通信正确顺序的关键。如果没有适当的并发控制，可能会导致竞态条件、死锁和资源饥饿等问题。例如，在多线程访问共享资源（如银行账户余额）时，如果没有合理的并发控制，可能会导致总提款金额超过原始余额。

在并发程序中，多个执行线程通常需要访问共享资源。访问共享资源时，必须进行适当的协调，以避免数据损坏或不一致。这需要认真设计并发访问控制机制，例如锁定、信号量或其他同步原语。

由于并发程序涉及多个执行线程的交错运行，可能会产生一些隐藏的复杂bug。这些bug通常很难被发现和重现，因为它们往往依赖于特定的执行时间和顺序。因此，需要对并发程序进行正式验证。

为了更好地推理和管理并发性挑战，研究人员开发了许多并发编程模型和理论，如Petri网、数据流理论和过程演算等。这些模型和理论为设计和分析并发程序提供了有用的工具和框架。

同步原语如互斥锁、条件变量、临界区、信号量和监视器等可用于保护共享数据结构，防止多个线程同时访问和修改。互斥锁可以锁定数据结构，确保任何时候只有一个线程可以访问。但是，使用这些同步原语可能会引入性能问题，因为线程可能需要等待获取锁而进入睡眠或自旋状态，导致内存总线争用。

另一种方法是使用线程池，在启动时创建一组固定数量的线程，然后将任务分配给空闲线程。这种方式可以帮助管理同步的复杂性，避免竞态条件。

并发测试可用于评估使用并发计算的软件的行为和性能，暴露死锁、竞态条件以及共享内存或资源处理问题等问题。属性测试通过生成随机输入并断言程序行为，也可以帮助检测与并发相关的问题。

尽可能避免共享状态是避免竞态条件的一个有效方法。通过设计无状态或线程安全的数据结构，可以减少对同步原语的需求。不可变数据结构也有助于消除竞态条件。