並發性是指若干事件在同一時刻發生

一、什麼是並發性

並發性是指多個事件在同一時間點發生，這些事件之間相互獨立，同時需要被服務。在計算機科學中，多個線程、進程進行並發執行，共享計算機資源。

並發性使得多個任務可以同時運行，極大地提高了系統的吞吐量，增強了實時性和響應性。但同時也帶來了許多問題，例如線程安全、死鎖、飢餓和競爭等問題。

二、實現並發性的方法

1. 進程

進程是計算機中一個正在運行的程序，它擁有自己獨立的內存空間，可以進行並發執行。進程間通常通過進程間通信（IPC）方式進行交互，例如管道、信號、共享內存等方式。

import multiprocessing

def f(x):
    return x*x

if __name__ == '__main__':
    with multiprocessing.Pool(5) as p:
        print(p.map(f, [1, 2, 3]))

2. 線程

線程是輕量級的進程，在同一進程中可以有多個線程同時運行。線程共享進程的內存和資源，因此可以更快速地進行通信和數據共享。由於線程沒有獨立的內存空間，因此線程間通信需要注意線程安全問題。

import threading

def print_num(num):
    print(f"Thread {num} is running\n")

threads = []
for i in range(10):
    thread = threading.Thread(target=print_num, args=(i,))
    threads.append(thread)
    thread.start()

for thread in threads:
    thread.join()

3. 協程

協程是一種輕量級的用戶態線程，協程可以在單線程內完成並發操作。協程支持掛起、恢復和中斷等特性，通過yield語句使協程掛起，等待後續操作。

def coroutine_print():
    while True:
        x = yield
        print(f"coroutine print {x}")

cor = coroutine_print()
next(cor)
cor.send("hello")
cor.send("world")

三、並發性中的問題

1. 線程安全

線程安全問題是由於多個線程同時修改同一個變量或資源導致的。為了避免線程安全問題，可以使用互斥鎖、信號量、讀寫鎖等方式進行線程同步。

import threading

shared_num = 0
lock = threading.Lock()

def increment():
    global shared_num
    lock.acquire()
    try:
        shared_num += 1
    finally:
        lock.release()

threads = []
for i in range(10):
    thread = threading.Thread(target=increment)
    threads.append(thread)
    thread.start()

for thread in threads:
    thread.join()

print(shared_num)

2. 死鎖

死鎖是指兩個或多個進程無限期地等待對方持有的資源，導致程序無法正常終止。為了避免死鎖，需要通過一個全局資源分配和避免死鎖算法（比如銀行家算法）進行資源的分配和釋放。

3. 飢餓

飢餓是指某個線程或進程無法獲得所需要的資源，導致無法正常執行。

4. 競爭

競爭是指多個線程或進程同時競爭資源，導致執行順序無法預測。為了避免競爭，可以使用鎖、原子操作、條件變量等方式進行線程同步。

四、結語

並發性是計算機科學中的重要概念，它具有極大的實用性並且帶來了許多問題。我們需要根據具體應用場景，選擇合適的並發性實現方式，並通過適當的同步手段來確保程序的正確性。