CPU密集型和IO密集型初学习

目录

1、CPU密集型

2、IO密集型

3、CPU密集型和IO密集型的区别

4、CPU密集型和IO密集型对CPU内核之间的关系

5、核心线程数计算公式

5、扩展：进程和线程

小结

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1、CPU密集型

CPU密集型是指计算机程序或任务在执行过程中主要依赖于中央处理器（CPU）进行计算和处理的类型。这种类型的任务会占用大量的CPU资源，而相对较少地依赖其他计算机组件，如内存、硬盘或网络带宽。

CPU密集型任务通常涉及大量的计算操作，例如科学计算、数据分析、图像处理、视频编码解码、密码学算法等。这些任务需要大量的算术运算、逻辑判断和数据处理，而不涉及太多的数据读写操作或网络通信。因此，CPU的性能和处理能力对任务的执行效率和速度影响很大。

图片来源：深入理解CPU密集型与IO密集型任务、线程池如何选择？_cpu密集型和io密集型 线程数-CSDN博客

以下是一个使用Java实现的简单CPU密集型程序代码示例，该示例通过计算斐波那契数列来展示CPU密集型任务：

public class CPUMain {
    public static void main(String[] args) {
        int n = 40;
        long result = calculateFibonacci(n);
        System.out.println("The " + n + "th Fibonacci number is: " + result);
    }
 
    public static long calculateFibonacci(int n) {
        if (n <= 1) {
            return n;
        } else {
            return calculateFibonacci(n - 1) + calculateFibonacci(n - 2);
        }
    }
}

在这个示例中，我们通过递归方式计算斐波那契数列的第n项。calculateFibonacci方法接收一个整数n作为参数，根据斐波那契数列的定义，如果n小于等于1，则直接返回n；否则，将问题拆分为计算前两项的斐波那契数之和。

在实际的CPU密集型任务中，可能会涉及更加复杂的计算逻辑和算法。例如，图像处理、加密解密算法、大规模数据分析等任务都属于CPU密集型操作。这只是一个简单的示例，实际的CPU密集型程序可能会涉及更复杂的计算逻辑和数据处理操作。编写CPU密集型程序时，需要注意算法的选择和优化，合理地利用多线程、并行计算等技术手段，以提高CPU的利用率和程序的性能。

CPU密集型任务通常会导致CPU处于高负载状态，使用大量的计算资源。在处理这些任务时，CPU会持续运行高频率的指令和计算操作，从而产生较高的功耗和热量。为了确保任务的顺利执行，有时需要采用多核处理器或并行计算技术来提高计算能力和效率。

对于CPU密集型任务，优化代码和算法，提高CPU的利用率和性能非常重要。使用并行计算、多线程技术等可以充分利用多核处理器的潜力。此外，选用高性能的CPU和适当的硬件配置也能提升任务执行效率。

需要注意的是，CPU密集型任务在执行过程中可能会占用大量的系统资源，导致其他任务或进程的响应速度变慢。因此，在设计和执行这类任务时，需要根据系统的整体需求和资源分配，合理安排任务的优先级和运行时间，以确保整个系统的稳定性和性能。

2、IO密集型

与CPU密集型相对的是I/O密集型任务。I/O密集型任务主要依赖于输入输出操作，涉及较多的数据读写和网络通信，而CPU的计算和处理需求相对较少。例如，数据库访问、文件传输、网络通信等任务就属于I/O密集型。

I/O密集型是指计算机程序或任务在执行过程中，主要依赖输入/输出（I/O）操作，而对中央处理器（CPU）和内存的需求相对较低的类型。这种类型的任务通常会频繁地访问磁盘、网络或其他外部设备，例如数据库访问、文件传输、网络通信等，而对CPU的计算和处理需求相对较低。

图片来源：深入理解CPU密集型与IO密集型任务、线程池如何选择？_cpu密集型和io密集型 线程数-CSDN博客

I/O密集型任务的执行过程中，主要涉及以下几个方面：

1. 数据读取和写入：任务需要从磁盘、网络或其他外部设备中读取数据或将数据写入到这些设备中，以完成任务的操作。

2. 等待时间：在进行I/O操作时，任务需要等待设备响应和数据传输，这会占据大量的时间。因此，I/O密集型任务的执行效率往往受到磁盘、网络带宽等I/O资源的影响。

3. 缓存机制：为了提高I/O密集型任务的执行效率，可以采用缓存机制来缓存一部分数据，以减少磁盘或网络访问次数，降低等待时间。

4. 并发操作：为了充分利用I/O设备的性能，可以采用并发操作的方式，同时进行多个I/O任务，以提高I/O密集型任务的执行效率。

以下是一个使用Java实现的简单I/O密集型程序代码示例，该示例通过读取文件的方式进行I/O操作：

import java.io.BufferedReader;
import java.io.FileReader;
import java.io.IOException;
 
public class IOMain {
    public static void main(String[] args) {
        String filePath = "path/to/your/file.txt";
        readFromFile(filePath);
    }
 
    public static void readFromFile(String filePath) {
        BufferedReader reader = null;
        try {
            reader = new BufferedReader(new FileReader(filePath));
            String line;
            while ((line = reader.readLine()) != null) {
                // 处理每一行数据的逻辑
                System.out.println(line);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (reader != null) {
                try {
                    reader.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

在这个示例中，我们使用BufferedReader类来读取指定路径下的文本文件。readFromFile方法接收文件路径作为参数，并在方法中完成读取文件内容的逻辑。通过BufferedReader的readLine方法，我们可以逐行读取文件内容，并对每一行数据进行处理，这里只是简单地将每一行打印输出。

需要注意的是，在处理大文件时，为了提高性能，可以采用缓存机制，例如使用BufferedReader进行缓存读取操作。另外，在实际应用中，可能还需要处理文件写入、网络通信等其他I/O操作。

这只是一个简单的示例，实际的I/O密集型程序可能会涉及更复杂的I/O操作和业务逻辑。编写I/O密集型程序时，需要注意合理地利用缓存机制、并发操作等技术手段以提高I/O效率，同时也要注意异常处理和资源释放，确保程序的健壮性和稳定性。

需要注意的是，I/O密集型任务的执行效率往往受到磁盘、网络带宽等I/O资源的限制。因此，在设计和执行这类任务时，需要根据系统整体需求和资源分配，合理安排任务的优先级和运行时间，以确保整个系统的稳定性和性能。

总之，I/O密集型任务通常需要频繁地访问磁盘、网络或其他外部设备，而对CPU的计算和处理需求相对较低。在进行任务的设计和实现时，需要综合考虑I/O资源的利用率和性能，合理配置计算和I/O资源，以提高整个系统的性能和效率。

3、CPU密集型和IO密集型的区别

CPU密集型和I/O密集型是根据任务对计算资源（CPU和内存）和输入/输出资源（磁盘、网络等）的需求程度来区分的。

1. CPU密集型任务：

   - 主要依赖于中央处理器（CPU）进行计算和处理的任务。
   - 需要大量的计算操作，例如科学计算、数据分析、图像处理、视频编码解码、密码学算法等。
   - 对CPU的利用率要求较高，占用大量的计算资源，而对I/O资源的需求相对较低。
   - CPU密集型任务通常会占用大量的CPU时间片，使CPU处于高负载状态，产生较高的功耗和热量。

2. I/O密集型任务：

   - 主要依赖于输入/输出操作，涉及较多的数据读写和网络通信的任务。
   - 需要频繁地访问磁盘、网络或其他外部设备，例如数据库访问、文件传输、网络通信等。
   - 对CPU的计算和处理需求相对较低，而对I/O资源的需求较高。
   - I/O密集型任务通常会涉及大量的数据传输和等待时间，因此对磁盘、网络带宽等I/O资源的性能和响应速度要求较高。 

一般来说，造成CPU密集型卡顿的原因通常是cpu不够用，使用多进程；而IO密集型卡顿则是由于线程不够用，需要多线程。

4、CPU密集型和IO密集型对CPU内核之间的关系

CPU密集型和I/O密集型任务对CPU内核的影响是不同的：

1. CPU密集型任务会占用大量的CPU计算资源，因此在执行过程中会使得CPU内核处于高负载状态。这意味着CPU内核需要长时间地进行计算操作，而其他任务可能无法得到充分的CPU时间片来执行，导致系统响应变慢甚至出现卡顿现象。在多核CPU系统中，CPU密集型任务可以通过多个CPU内核并行处理，从而提高整体的计算性能。

2. 相反，I/O密集型任务并不会长时间占用CPU计算资源，而是主要涉及到对外部设备（例如磁盘、网络等）的读写操作。在执行过程中，I/O密集型任务会频繁地进行I/O操作（如文件读写、网络通信），而此时CPU内核可能会处于空闲状态，等待I/O操作完成。在多核CPU系统中，可以通过合理的I/O多路复用技术或者异步I/O来提高系统的I/O处理效率。

总的来说，CPU密集型任务主要影响CPU内核的计算性能和负载情况，而I/O密集型任务则主要影响CPU内核的I/O调度和等待情况。在实际系统设计和优化中，需要根据任务类型的特点合理分配CPU资源，并考虑如何充分利用多核CPU系统来提高系统的整体性能。

5、核心线程数计算公式

CPU密集型：核心线程数 = CPU核数 + 1

                      +1是为了预防某个线程被阻塞时，cpu可以调用其他线程。

IO密集型：核心线程数 = CPU核数 / （1-阻塞系数） 

IO密集型：核心线程数 = CPU核数 * 2

原因：

图片来源：IO密集型和CPU密集型程序-概念与实现 - 知乎

5、扩展：进程和线程

图片来源：《Java并发编程从入门到精通》

进程和线程比较

图片来源：《Java并发编程从入门到精通》

小结

在实际应用中，任务往往是CPU密集型或I/O密集型的综合体。例如，一个数据分析任务可能既涉及大量的计算操作，也需要从磁盘读取输入数据和将结果写入磁盘。因此，在任务的设计和执行中，需要综合考虑CPU和I/O资源的利用率和性能，以平衡系统的整体性能和效率。

对于CPU密集型任务，优化算法和代码，利用多核处理器和并行计算技术可以提高计算效率和速度。而对于I/O密集型任务，优化I/O操作、缓存机制和网络通信等可以提高数据传输的效率和响应速度。理解任务的特点和需求，合理配置计算和I/O资源，是提高系统性能和效率的关键。

参考

IO密集型和CPU密集型程序-概念与实现 - 知乎

深入理解CPU密集型与IO密集型任务、线程池如何选择？_cpu密集型和io密集型 线程数-CSDN博客

线程池中CPU密集型和IO密集型选择_51CTO博客_io密集型和cpu密集型 线程数

CPU密集与IO密集型区别 - 明天,你好啊 - 博客园

一分钟明白IO密集型与CPU密集型的区别 - 掘金

IO密集型和CPU密集型程序-概念与实现 - 知乎

CPU密集型和IO密集型任务的权衡：如何找到最佳平衡点-CSDN博客

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