1. 几个概念
1.1 并发
在操作系统的一个时间段中，有几个程序同时处于启动运行到运行完毕之间的状态，且这几个程序都在同一个处理机上运行。
并发又有伪并发和真并发：伪并发是指单核处理器的并发，真并发是指多核处理器的并发。
1.2 互斥
并发进程之间的制约关系有两种，即互斥和同步。
多个并发进程之间，因竞争使用临界资源而互相排斥执行的间接制约关系，叫作互斥。
例1：
例2：共享变量
设两个进程P1，P2，它们共享同一变量count，主要操作如下：
| 进程P1 | 进程P2 |
|---|---|
| R1：= count | R2：= count |
| R1：= R1+1 | R2：= R2+1 |
| count：= R1 | count：= R2 |
其中，R1和R2是处理机的两个通用寄存器。它们可以按各自独立的速度前进，所以运行的顺序也可能是：
| 进程 | 运行 |
|---|---|
| 进程P1： | R1：= count |
| 进程P2: | R2：= count |
| 进程P1： | R1：= R1+1；count：= R1 |
| 进程P2: | R2：= R2+1；count：= R2 |
1.3 同步
在某些地方，多个并发进程需要相互等待或交换信息而产生的直接制约关系，叫做同步。
并发进程之间不是相互排斥临界资源，而是相互依赖的关系。进一步地说，同步关系就是前一个进程的输出作为后一个进程的输入；当第一个进程没有输出时，第二个进程必须等待。具有同步关系的一组并发进程，相互发送的信息称为消息或事件。
下面是一个司机和售票员同步的例子：
还有一个协作进程的例子：
用户作业程序的形式：Z=func1(x)∗func2(y)Z=func1(x)∗func2(y)，其中func1(x)，func2(y)均是一个复杂函数，为了加速计算，按以下方法计算：
进程P1、P2分别计算func1(x)func1(x) 与 func2(y)func2(y)
进程P1与P2计算结果相乘，获得结果Z
1.4 并行
在单核处理器的多道程序环境中，进程被交替执行，表现出一种并发的外部特征；在多核处理器的多道程序环境中，进程不仅可以交替执行，还可以重叠执行，即并行。
在多核处理器上，程序才可以实现并行处理。从而可知，并行是针对多核处理器而言。并行是同一时刻发生多个事件，具有并发的含义；但并发不一定并行，即并发事件之间不一定要同一时刻发生。
1.5 多线程
多线程是程序设计的逻辑层概念，它是进程中并发运行的一段代码。多线程可以实现线程间的切换执行。
1.6 异步
异步与同步是相对的：同步是顺序执行进程，执行完一个进程再执行下一个进程，需要进程之间等待、协调运行；异步是进程之间彼此独立，在等待其他进程的运行时，本进程继续做自己的事，不需要等待其他进程完成后再工作。
在多道程序环境下，进程以异步方式并发执行。
异步与多线程不是同等关系：异步是最终目的，多线程只是我们实现异步的一种方式。异步是让调用方法的主线程不用同步等待另一线程的完成，主线程可以同时做其它事情。
实现异步可以采用多线程技术或者交给另外的进程处理。
2. 事例理解
为了对以上概念更好地理解，举一个简单例子，假设我们要做烧开水，举杠铃100下， 洗衣服这3件事情。
烧开水：准备烧开水（1分钟）， 等开水烧开（8分钟） , 关掉烧水机（1分钟）
举杠铃100下：举杠铃100下（10分钟）
洗衣服：准备洗衣服（1分钟）， 等衣服洗完（5分钟），关掉洗衣机（1分钟）
2.1 单核处理器
- 同步执行
事情步骤安排：烧水：准备烧开水（1分钟）， 等开水烧开（8分钟） , 关掉烧水机（1分钟）；举杠铃100下：举杠铃100下（10分钟）；洗衣服：准备洗衣服（1分钟）， 等衣服洗完（5分钟），关掉洗衣机（1分钟）
做完3件事，花费的时间t = 1+ 8 +1 + 10 + 1+ 5 +1 = 27（分钟）
- 异步并行
在等待事情执行时，我（单核）可以切换出去，做别的事情。
事情步骤安排：准备烧开水(1分钟) + 准备洗衣服(1分钟) + 举50下杠铃 (5分钟)+ 关洗衣机（1分钟） + 举杠铃20下（2分钟）+ 关烧水机（1分钟） + 举30下杠铃(3分钟）
在等待衣服洗完（5分钟）时，我（单核）执行举50下杠铃（5分钟）；在等待水烧开（8分钟）时，我（单核）执行举50下杠铃 (5分钟)+ 关洗衣机（1分钟） + 举杠铃20下（2分钟）。
做完3件事，花费的时间t = 1 + 1 + 5 + 1 + 2 + 1 + 3 = 14（分钟）
2.2 双核处理器
- 异步并行
核1：准备烧开水（1分钟）+ 举杠铃50下（5分钟）+ 等待（3分钟）+ 关掉烧水机 （1分钟）
核2：准备洗衣服（1分钟）+ 举杠铃50下（5分钟）+ 关掉洗衣机（1分钟） + 等待（3分钟）
其中，在等待水烧开（8分钟）时，核1执行举杠铃50下（5分钟），等待（3分钟）；在等待衣服洗完（5分钟）时，核2执行举杠铃50下（5分钟）。
做完3件事，花费的时间t = 1 + 5 + 3 + 1 = 10（分钟），其中双核都等待了3分钟。
- 异步非并行
核1：举杠铃100下（10分钟）
核2：准备烧开水（1分钟）+ 准备洗衣服（1分钟）+ 等待（6分钟）+ 关掉烧水机（1分钟）+ 关掉洗衣机（1分钟）
其中，在等待水烧开（8分钟）时，核2执行准备烧开水（1分钟），准备洗衣服（1分钟），等待（6分钟）；在等待衣服洗完（5分钟）时，核2执行等待（6分钟）。
做完3件事，花费的时间t =1 + 1 + 6 + 1 + 1 = 10（分钟）
2.3 多线程
- 单核处理器
线程1：准备烧开水（1分钟）， 等水烧开（8分钟） , 关掉烧水机（1分钟）
线程2：举杠铃100下（10分钟）
线程3：准备洗衣服（1分钟）， 等水烧开（5 分钟） , 关掉洗衣机（1分钟）
CPU最理想的切换方式：
线程1：准备烧开水（1分钟）+ sleep 1 + sleep 5 + sleep 1 + sleep 2 + 关开水（1分钟）
线程2：sleep 1+ sleep 1 + 举杠铃50（5分钟）+ sleep 1 + 举杠铃20（2分钟）+ sleep1 + 举杠铃30下（3分钟）
线程3：sleep 1 + 准备洗衣服（1分钟）+ sleep 5 +关洗衣机（1分钟）
最后使用了14分钟，与异步是一样的。但实际上是不一样的，因为线程不会按照我们设想的去跑。如果线程2举杠铃先跑，整个流程的速度就下来了。
2.4 异步和同步，多线程与异步，单核与多核的不同
异步和同步的区别：在IO等待时，同步不会切走，等待浪费了时间。
多线程比较容易地实现了异步切换的思想， 因为多线程较容易写。多线程本身还是以同步完成，但是比不上异步的效率。
多核的好处，就是可以同时做事情， 这个与单核不一样。如果都是独占CPU的作业，比如举杠铃。在单核情况下，多线程和单线程没有区别。