为什么并发明明只是多个指令在单个CPU上交替执行，但是却可以优化程序执行效率呢？

并发虽然只是多个指令在单个CPU上交替执行，但它可以显著优化程序效率，这主要归因于以下几个方面的原因：

一、CPU与I/O操作的效率差异

• CPU的高效性：CPU是计算机中的核心处理单元，其执行速度非常快，能够在极短的时间内完成大量的计算任务。
• I/O操作的耗时性：相比CPU，I/O操作（如读写磁盘、网络通信等）的速度要慢得多。当程序执行到I/O操作时，CPU往往需要等待I/O操作完成才能继续执行后续的计算任务。

二、并发执行的原理

• 时间片轮转：在并发执行中，操作系统将CPU的时间划分为一个个的时间片，并轮流分配给各个任务。当一个任务执行完其时间片后，CPU会切换到另一个任务继续执行。
• 交替执行：由于CPU的执行速度非常快，多个任务在时间片轮转下交替执行，从用户的角度来看，仿佛这些任务是同时进行的。

三、并发优化程序效率的原因

• CPU利用率提升：通过并发执行，CPU在等待I/O操作完成的时间内可以执行其他任务，从而提高了CPU的利用率。
• 程序响应时间缩短：并发执行允许程序在I/O操作等待期间继续执行其他任务，从而缩短了程序的总体响应时间。
• 资源合理利用：并发执行还可以使程序更合理地利用系统资源，如内存、磁盘等，因为多个任务可以共享这些资源并同时进行处理。

四、并发与并行的区别

• 并发：指多个任务在同一时间段内交替执行，通常是在单个CPU上实现的。
• 并行：指多个任务在同一时刻同时执行，这通常是在多核CPU或分布式系统中实现的。

虽然并发并不是真正的并行（即多个任务在同一时刻同时执行），但它通过时间片轮转和交替执行的方式，在单个CPU上模拟了并行的效果，从而优化了程序的效率。

总结：

在正常的程序执行过程中，由于各种原因（如I/O操作、资源竞争、系统调用等），程序往往会在某些时刻处于等待状态，无法继续执行。这些等待时间如果不加以利用，就会导致CPU资源的浪费。

并发执行正是为了解决这个问题而提出的。它利用操作系统的时间切片机制，将CPU的时间划分为多个短暂的时间段（即时间片），并轮流分配给不同的任务（或线程）。当一个任务执行完其分配的时间片后，如果它还没有完成，就会被挂起（即进入等待状态），而CPU则切换到另一个任务继续执行。这样，在单个CPU上就可以同时运行多个任务，从而提高了CPU的利用率。

在并发执行中，当某个任务处于等待状态时（比如等待I/O操作完成），CPU可以立即切换到另一个任务继续执行，而不会浪费等待时间。这样，即使只有一个CPU，也可以实现多个任务的同时处理（尽管不是真正的并行处理，但在用户看来，它们似乎是同时进行的）。

因此，并发执行通过充分利用CPU的等待时间，提高了程序的执行效率和响应速度。