一、同步 VS 异步

1. 同步

当一个线程执行同步操作时，它会按照调用的顺序依次执行这些操作，并在执行每个操作时等待该操作完成。也就是说，线程会被阻塞，直到当前同步操作完成后再继续执行下一个操作。

2. 异步

当线程执行异步操作时，它会立即启动该操作并继续执行后续代码，而不需要等待异步操作完成。异步操作通常会返回一个 Task 对象，表示正在进行的操作，并允许线程在等待异步操作完成时继续执行其他任务。

3.后台任务

是在用户不直接交互的情况下执行的任务。它们通常用于处理长时间运行的操作，比如数据加载、文件处理、网络请求等

1)后台任务与CPU资源

• 需要CPU资源：后台任务需要CPU资源来进行计算和处理数据。例如，当后台任务执行数据处理、文件读取或网络请求时，它们会占用CPU时间来完成这些操作。
• CPU调度：操作系统负责调度CPU资源，决定哪个任务在何时执行。当后台任务被启动时，操作系统会将其分配给可用的CPU核心。即使后台任务在“后台”运行，它们仍然需要CPU时间来完成任务。

2)为什么可以放在后台执行

• 非阻塞性：后台任务的设计目的是使主线程（通常是用户界面线程）不被阻塞。这样，用户可以继续与程序交互，而后台任务在独立线程或异步上下文中执行。
• 多线程和异步编程：通过多线程或异步编程模型，后台任务可以在不同的执行上下文中运行。例如，使用线程池或异步方法（如async和await）可以使任务在后台执行，而不影响主线程的响应性。
• 优先级和调度：操作系统根据任务的优先级和当前系统资源情况调度CPU资源。后台任务通常优先级较低，因此在系统负载较轻时，它们会获得CPU时间来完成任务。

4. 异步编程模型

异步编程模型的核心在于允许程序在执行长时间操作（如I/O操作或网络请求）时，不阻塞主线程。这种机制的原理主要涉及以下几个方面：

1)异步操作的定义

异步操作是指在启动一个任务后，程序不需要等待该任务完成，而可以继续执行后续代码。这样，主线程（通常是UI线程）可以保持响应性。

2)使用回调和Promise

回调函数：异步编程常使用回调函数，当一个异步操作完成时，系统会调用这些回调函数。通过这种方式，主线程可以在等待操作完成时继续执行其他代码。

• Promise：许多现代编程语言（如JavaScript和C#）引入了Promise（或类似的机制），使得异步操作的管理更加简单。Promise表示一个可能尚未完成的操作，并提供了then和catch等方法来处理操作成功或失败的结果。

3)事件循环机制

• 事件循环：在JavaScript等语言中，异步操作是通过事件循环机制实现的。事件循环不断检查是否有可执行的任务，如果有，它将从任务队列中取出并执行这些任务。这意味着即使某个操作在后台运行，主线程仍然可以处理其他事件。
• 调度机制：当异步操作完成时，相关的回调函数会被添加到任务队列中，等待事件循环处理。这样，主线程可以在任何时候响应用户输入或处理其他事件。

4)线程与任务

• 线程池：在一些语言（如C#）中，异步任务可以在后台线程池中运行。线程池管理着一组工作线程，当需要执行异步操作时，系统会从线程池中借用一个线程来处理任务。这意味着这些任务在独立的上下文中运行，不会影响主线程。
• Task和async/await：现代编程语言（如C#）提供了async和await关键字，使得异步编程变得更加直观。使用这些关键字时，程序会在遇到await时暂停执行，允许主线程处理其他任务，而在异步操作完成时恢复执行。

exmple

线程中有ABCD 四个操作，ABD 是同步操作，C 是异步操作, 假设执行顺序是 A -> B -> C -> D。以下是具体执行过程的示例：

1. CPU执行顺序详细说明：

• 执行 A：线程开始执行同步操作 A，直到完成。
• 执行 B：线程继续执行同步操作 B，直到完成。
• 执行 C：线程开始执行异步操作 C。此时，操作 C 在后台运行，线程不会被阻塞。
• 执行 D：线程继续执行同步操作 D，直到完成。
• 等待 C：最后，线程等待异步操作 C 完成（如果需要）。

3. 关键点

• 同步操作会阻塞线程，确保它们按顺序执行。
• 异步操作允许线程在等待操作完成时继续执行其他代码。
• 如果多个同步操作在异步操作之前，CPU会在它们之间进行切换；而异步操作不会阻塞线程，允许主线程继续运行其他任务。

public async Task ExecuteOperationsAsync()
{
    // 同步操作 A
    OperationA(); // 线程被阻塞，直到 A 完成
    
    // 同步操作 B
    OperationB(); // 线程被阻塞，直到 B 完成
    
    // 异步操作 C
    var taskC = OperationCAsync(); // 线程不会被阻塞，C 在后台运行
    
    // 同步操作 D
    OperationD(); // 线程被阻塞，直到 D 完成
    
    // 等待异步操作 C 完成
    await taskC; // 等待 C 完成
}

二、单线程 VS 多线程

多线程（Multithreading）

• 多线程指在一个程序中同时运行多个线程。每个线程可以独立执行任务，充分利用多核处理器的计算能力。
• 多线程可以是同步的（多个线程相互等待）或异步的（多个线程并行执行而不相互等待）。

单线程（Single-threaded）

• 单线程指程序中只有一个线程在执行。所有操作按顺序执行，可能会导致长时间的阻塞。
• 在单线程应用程序中，异步编程模式可以用来提高响应能力，例如在UI应用程序中执行异步I/O操作，以避免冻结界面。

exmple

两条线程，甲线程有ABCD 四个操作，ABD 是同步操作，C 是异步操作，乙线程有HIJK四个操作，HIK是同步操作，I 是异步操作， 甲线程的优先级高于乙线程，分别模拟在单线程和多线程CPU上执行这两个线程的操作。

单线程CPU

甲、乙线程假设执行顺序如下：

• 甲线程：A -> B -> C (异步，后台执行) -> D
• 乙线程：H -> I (异步，后台执行) -> J -> K

1.CPU执行顺序详细说明：

• 执行甲线程的 A：线程甲开始执行 A，阻塞，直到 A 完成。
• 执行甲线程的 B：线程甲继续执行 B，阻塞，直到 B 完成。
• 执行甲线程的 C（异步）：线程甲启动 C，C 在后台运行，此时甲线程不再阻塞，继续执行。
• 执行甲线程的 D：线程甲继续执行 D，阻塞，直到 D 完成。
• 等待 C 完成：如果需要，甲线程会等待 C 完成。
• 执行乙线程的 H：线程乙开始执行 H，阻塞，直到 H 完成。
• 执行乙线程的 I（异步）：线程乙启动 I，I 在后台运行，线程乙不再阻塞，继续执行。
• 执行乙线程的 J：线程乙继续执行 J，阻塞，直到 J 完成。
• 执行乙线程的 K：线程乙继续执行 K，阻塞，直到 K 完成。

多线程CPU

甲、乙线程假设执行顺序如下：

• 甲线程：A -> B -> C (异步，后台执行) -> D
• 乙线程：H -> I (异步，后台执行) -> J -> K

1.CPU执行顺序详细说明：

• 执行甲线程的 A：线程甲开始执行 A，阻塞，直到 A 完成。
• 执行甲线程的 B：线程甲继续执行 B，阻塞，直到 B 完成。
• 执行甲线程的 C（异步）：线程甲启动 C，C 在后台运行，此时甲线程不再阻塞，切换到乙线程。
• 执行乙线程的 H：线程乙开始执行 H，阻塞，直到 H 完成。
• 执行乙线程的 I（异步）：线程乙启动 I，I 在后台运行，线程乙不再阻塞，切换回甲线程。
• 继续执行甲线程的 D：线程甲继续执行 D，阻塞，直到 D 完成。
• 执行乙线程的 J：线程乙继续执行 J，阻塞，直到 J 完成。
• 执行乙线程的 K：线程乙继续执行 K，阻塞，直到 K 完成。

2. 关键点

• 在单线程CPU上，所有操作按顺序执行，无法并发。
• 在多线程CPU上，甲线程和乙线程可以并发执行，依赖于线程的优先级和调度策略，甲线程会优先于乙线程执行，同时异步操作也可以在后台执行，不会阻塞主线程的执行。

三、并发 VS 并行

并发（Concurrency）

1.定义

并发是指在同一时间段内，多个任务可以交替执行，给人一种同时进行的感觉。并发不一定要求多个任务真正同时执行，而是指它们可以在同一程序或进程中同时进行，通常是通过上下文切换来实现。

2.实现方式

并发通常依赖于多线程或异步编程模型，允许一个线程在等待某个操作完成时，切换到执行其他任务。例如，一个程序可以在等待网络响应时执行其他计算任务。

3.示例

在一个用户界面的应用程序中，主线程可以处理用户输入，而其他后台线程可以执行文件加载或网络请求。这使得用户在等待操作完成时，仍然可以与程序交互。

2. 并行（Parallelism）

1.定义

并行是指在同一时间点上，多个任务真正地同时执行。并行通常涉及多核处理器，每个核心可以同时处理一个任务。

2.实现方式

并行通常通过多线程或多进程来实现，每个线程或进程在不同的处理器核心上运行。这可以显著提高计算效率，特别是对于计算密集型任务。

3.示例

在进行大规模数据处理时，可以将数据分成多个部分，并在多个CPU核心上同时处理这些部分，以加快处理速度。

3. 关键区别

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4. 总结

• 并发强调的是任务之间的交替执行，而不一定是同时的；它更关注于程序的结构和设计，使多个任务能够在同一时间段内得到处理。

• 并行则强调任务的同时执行，依赖于多个处理器或核心的协同工作，以提高计算性能和效率。

？疑问关系

同步与单线程

单线程描述的是程序执行时只有一个线程，而同步更多强调的是任务之间的执行的等待、依赖关系。

异步与多线程

异步编程是一种编程范式，它允许程序在等待某个操作（如I/O操作、网络请求等）完成的同时，继续执行其他任务，而不需要阻塞当前线程。

多线程编程是一种并发编程技术，它允许在一个程序中同时运行多个线程，每个线程可以独立执行不同的任务。

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异步并不会阻塞线程或者创建一个新的线程，它只是把异步的操作放到后台进行处理，同时允许CPU资源执行一些力所能及的操作，该线程一直在运行状态（在时间片足够的情况下），CPU 资源没有被安排给新的线程使用。而多线程是多个线程并发操作，CPU 资源轮流安排时间片给各个线程，各个线程按照划分的时间片轮流使用CPU资源，轮流进入等待，就绪，运行的状态。

多线程与并行并发

多线程：多线程是指在一个程序中同时运行多个线程，每个线程可以独立执行不同的任务。是一种实现并发或并行的技术，可以在单核或多核CPU上运行多个线程。

并行：是真正的同时执行多个任务，依赖于多核处理器，每个核心或处理器可以同时执行一个线程，显著提高计算性能。

并发：多个线程通过时间分片可以在单个CPU上交替执行，通过任务切换在逻辑上同时执行多个任务，提高程序的响应性和资源利用率，适用于I/O密集型操作。

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并行并发与多核处理器

并行：多个任务在多个核心上同时执行执行多个任务，每个核心同时处理一个任务，从而实现真正的同时执行。

• 多核处理器的作用
  • 真正的并行执行：多核处理器可以同时执行多个线程或任务。每个核心都可以独立执行一段代码，因此可以实现真正的并行处理。
  • 性能提升：通过并行处理，程序的执行效率可以显著提高，特别是在需要大量计算的任务中。

并发：并发是指在同一时间段内管理多个任务的执行。它并不一定是同时执行，而是通过快速切换任务，使得多个任务看起来是同时进行的

• 单核处理器的并发
  • 任务切换：在单核处理器上，通过操作系统的任务调度机制，任务会被快速切换。每个任务在其时间片内执行，切换频率高，使得多个任务逻辑上并行执行。
  • 提高响应性：并发处理可以提高程序的响应性，因为即使某个任务正在等待I/O操作，其他任务仍然可以继续执行。
• 多核处理器的并发
  • 结合并行：在多核处理器上，并发任务可以分配到不同的核心上并行执行，同时在每个核心上也可以通过任务切换实现并发处理。