一、并发系统的第一性原理
1. 并发的本质是什么？
并发不是为了更快，而是为了更好地使用有限资源。
在任何计算系统中，都存在三种不可回避的约束：
- 计算资源有限（CPU 核心、内存、I/O）
- 任务数量不确定（用户请求、系统服务、后台作业）
- 任务执行时间不可预测（I/O、外部事件、中断）
因此，并发系统的本质目标是：
在有限资源条件下，对多个任务的时间、状态与共享资源进行有序管理。
这直接引出并发系统必须回答的三个根本问题：
- 执行单元是什么？（谁在“跑”）
- 如何分配 CPU？（谁先跑、跑多久）
- 如何安全协作？（如何共享而不出错）
后续所有概念，都是这三个问题的不同解法。
二、执行单元的抽象演进：进程 · 线程 · 协程
2.1 执行单元的设计哲学
执行单元的演进，本质是三种诉求之间的权衡：
- 隔离性（安全、稳定）
- 并发性（吞吐、响应）
- 调度控制权（灵活性、成本）
2.2 进程：资源隔离的基本单位
进程不是“正在运行的程序”，而是：
一个拥有独立资源视图的执行容器。
原理层定义
- 拥有独立的地址空间
- 拥有完整的资源描述（内存、文件、信号）
- 是操作系统进行资源分配与保护的基本单位
设计动机
- 防止错误扩散（一个进程崩溃不影响其他进程）
- 建立清晰的安全与权限边界
代价
- 创建与切换成本高
- 进程间通信复杂
进程解决的是“安全与隔离”问题，而不是“高并发”问题。
2.3 线程：共享资源下的并发执行
线程的引入不是为了节省 CPU，而是为了节省“进程的重复成本”。
原理层定义
线程是共享进程资源的执行流，是调度的基本单位。
核心特征
- 共享地址空间与全局资源
- 拥有独立的栈与寄存器上下文
- 可被内核抢占调度
本质权衡
| 获得 | 付出 |
|---|---|
| 更低创建/切换成本 | 共享状态导致复杂性 |
| 更高并发能力 | 同步与一致性问题 |
线程本质上是：用复杂性换性能。
2.4 协程：调度权下放到用户态
协程的出现不是因为线程“不够快”，而是因为“内核调度太贵、太不可控”。
原理层定义
协程是由程序显式让渡执行权的执行单元。
关键特征
- 切换发生在用户态
- 不依赖内核抢占
- 通常以函数/栈为单位保存上下文
本质优势
- 极低切换成本
- 调度语义可被程序精确控制
本质限制
- 不能自动利用多核
- 阻塞系统调用会阻塞整个调度器（除非运行时接管）
协程的核心价值在于：控制权，而不是并行度。
2.5 执行单元统一对比（原理层）
| 维度 | 进程 | 线程 | 协程 |
|---|---|---|---|
| 抽象层级 | 资源容器 | 执行流 | 调度原语 |
| 资源隔离 | 强 | 无 | 无 |
| 调度者 | 内核 | 内核 | 用户态 |
| 切换成本 | 高 | 中 | 极低 |
| 设计目标 | 安全 | 并发 | 可控 |
三、调度：有限 CPU 的分配艺术
3.1 调度的第一性问题
当多个执行单元同时就绪，而 CPU 有限时，谁先运行？运行多久？
调度的本质是一个资源分配问题，不存在绝对最优解，只有目标权衡。
3.2 调度目标的分类
| 系统类型 | 核心目标 |
|---|---|
| 批处理系统 | 吞吐量、周转时间 |
| 交互式系统 | 响应时间、公平性 |
| 实时系统 | 截止时间、可预测性 |
调度算法的差异，本质是目标函数不同。
3.3 策略与机制分离
- 机制（Mechanism）：
- 上下文切换
- 中断
- 就绪队列
- 策略（Policy）：
- FCFS / SJF / 时间片
- 优先级 / 多级反馈队列
操作系统只负责提供“如何切换”，不决定“该切换给谁”。
这是调度设计中最重要、也最稳定的思想之一。
四、协作与约束：并发正确性的核心
4.1 并发错误的根源
所有并发错误，本质都来自：
多个执行单元，在不可预测的时序下，访问共享状态。
这导致三类问题：
- 竞争条件
- 不一致可见性
- 死锁 / 饥饿
4.2 临界区：共享状态的最小边界
临界区不是代码问题，而是“状态所有权”的问题。
设计原则：
- 同一时刻只允许一个执行单元进入
- 不依赖 CPU 数量与速度假设
- 不阻塞临界区外的执行
- 有限等待
4.3 同步机制的抽象分层
第一层：忙等待（时间换简单）
- 自旋锁
- TSL / CAS
第二层：阻塞同步（让出 CPU）
- 信号量
- 互斥量
- 条件变量
第三层：结构化并发
- 管程
- 屏障
- 读写锁
第四层：避免共享
- 消息传递
- RCU
同步机制的演进趋势：从“控制访问”到“消除共享”。
五、通信模型：共享内存 vs 消息传递
5.1 两种世界观
| 模型 | 核心思想 |
|---|---|
| 共享内存 | 状态共享 + 同步约束 |
| 消息传递 | 状态隔离 + 显式通信 |
两者不是对错，而是复杂性转移的位置不同。
5.2 IPC 机制的层级关系
- 管道 / FIFO：字节流
- 消息队列：结构化通信
- 共享内存：最高性能，最高风险
- 套接字：跨机器边界
六、经典并发问题的统一视角
| 问题 | 本质 |
|---|---|
| 哲学家就餐 | 资源竞争 + 死锁 |
| 读者-写者 | 不同访问语义 |
| 生产者-消费者 | 速率不匹配 |
这些问题的价值不在解法，而在于：
暴露并发系统中不可避免的结构性矛盾。
七、从操作系统到语言运行时
7.1 为什么现代语言要“重造并发模型”？
- 内核线程太重
- 阻塞语义不可控
- 调度策略无法表达业务意图
因此出现：
- Go：Goroutine + M:N 调度
- Java：线程池 + Loom
- Erlang：Actor
并发的未来，不是更快的线程，而是更高层的抽象。
八、总结：稳定知识的沉淀
这套并发体系中，真正长期稳定的不是 API，而是：
- 并发的第一性原理
- 执行单元的权衡逻辑
- 调度的目标函数
- 协作的约束模型