并发编程
1、预备
是一个maven项目
pom.xml依赖如下
- 采用了lombok简化 Java bean 编写
- 使用slf4j打印日志，
<properties>
<maven.compiler.source>1.8</maven.compiler.source>
<maven.compiler.target>1.8</maven.compiler.target>
</properties>
<dependencies>
<dependency>
<groupId>org.projectlombok</groupId>
<artifactId>lombok</artifactId>
<version>1.18.10</version>
</dependency>
<dependency>
<groupId>ch.qos.logback</groupId>
<artifactId>logback-classic</artifactId>
<version>1.2.3</version>
</dependency>
</dependencies>
logback.xml配置如下
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<configuration
xmlns="http://ch.qos.logback/xml/ns/logback"
xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
xsi:schemaLocation="http://ch.qos.logback/xml/ns/logback logback.xsd"
>
<appender name="STDOUT" class="ch.qos.logback.core.ConsoleAppender">
<encoder>
<pattern>%date{HH:mm:ss} [%t] %logger - %m%n</pattern>
</encoder>
</appender>
<logger name="c" level="debug" additivity="false">
<appender-ref ref="STDOUT"/>
</logger>
<root level="ERROR">
<appender-ref ref="STDOUT"/>
</root>
</configuration>
2、进程与线程
2.1 进程与线程
进程
- 程序由指令和数据组成，但这些指令要运行，数据要读写，就必须将指令加载至CPU，数据加载至内存，在指令运行过程中还需要用的磁盘、网络等设备。进程就是用来加载指令，管理内存、管理IO的
- 当一个程序被运行，从磁盘加载这个程序的代码至内存，这时就开启了一个进程
- 进程就可以视为程序的一个实例。大部分程序可以同时运行多个实例进程（例如记事本、画图、浏览器等），也有的程序只能启动一个实例进程（例如网易云音乐、360安全卫士）
线程
- 一个进程之内可以分为一到多个线程
- 一个线程就是一个指令流，将指令流中的一条条指令以一定的顺序交给CPU执行
- java中，线程作为最小的调度单位，进程作为资源分配的最小单位。在Windows中进程是不活动的，只是线程的容器
两者对比
- 进程基本上相互独立的，而线程存在于进程内，是进程的一个子集
- 进程拥有共享的资源，如内存空间等，供其内部的线程共享
- 进程间通信较为复杂
- 同一台计算机的进程通信称为IPC（Inter-process communication）
- 不同计算机之间的进程通信，需要通过网络，并遵循共同的协议，例如HTTP
- 线程通信相对简单，因为它们共享进程内的内存，一个例子是多个线程可以访问同一个共享变量
- 线程更轻量，线程上下文切换成本一般上要比进程上下文切换低
2.2 并行与并发
单核cpu下，线程实际还是串行执行的,操作系统中有一个组件叫做任务调度器，将cpu的时间片（windows下时间片最小约为15毫秒）分给不同的线程使用，只是由于cpu在线程间（时间片段短）的切换非常快，人类感觉是同时运行的。总结一句话就是：微观串行，宏观并行。
一般会将这种线程轮流使用CPU的做法称为并发，concurrent
多核CPU下，每个核（core）都可以调度运行线程，这时候线程可以是并行的
引用Rob Pike（golang语言的创造者） 的一段描述：
- 并发（concurrent）是同一时间应对（dealing with）多件事的能力
- 并行（parallel）是同一时间动手做（doing）多件事的能力
例子：
- 家庭主妇做饭，打扫卫生，给孩子喂奶，她一个人轮流交替做这多件事，这时就是并发
- 家庭主妇雇了保姆，她们一起做这些事，这时既有并发，也有并行（这时会产生竞争，例如只有一口锅，一个人用锅时，另一个人等待）
- 雇了3个保姆，一个专门做饭，一个专门打扫卫生，一个专喂奶，互不干扰，这时就是并行
2.4 应用
应用之异步调用（案例1）
从方法调用的角度来讲，如果
- 需要等待结果返回，才能继续运行就是同步
- 不需要等待结果返回，就能继续运行就是异步
注意：同步在多线程中还有另一层意思，是让多个线程步调一致
1）、设计
多线程可以让方法执行变为异步的（即不要巴巴干等着）比如说读取磁盘文件时，假设读取操作花费了5秒钟，如果没有线程调度机制，这5秒调用者什么都做不了，其代码都得暂停…
2）、结论
- 比如在项目中，视频文件需要转换格式等操作比较费时，这时打开一个新线程处理视频转换，避免阻塞主线程
- tomcat的异步servlet也是类似的目的，让用户线程处理耗时较长的操作，避免阻塞tomcat的工作线程
- ui程序中，开线程进行其它操作，避免阻塞ui线程
应用之提高效率（案例1）
充分利用多核CPU的优势，提高运行效率，想象下面的场景，执行3个计算，最后将计算结果汇总
计算1 花费 10 ms
计算2 花费 11 ms
计算3 花费 9 ms
汇总需要 1ms
-
如果串行执行，那么总共花费的时间时10+11+9+1=31ms
-
但如果时四核CPU，各个核心分别使用线程1执行计算1，线程2执行计算2，线程3执行计算3，那么3个线程是并行的，花费时间只取决于最长的那个线程运行的时间，即11ms最后加上汇总的时间，只会花费12ms
注意
需要在多核CPU 才能提高效率，单核仍然时是轮流执行
1）、设计
》》》》》代码见并发编程_应用【应用之提高效率-案例1】》》》》》》》
2）、结论
- 单核CPU下，多线程不能实际提高程序运行效率，只是为了能够在不同的任务之间切换，不同线程轮流使用CPU，不至于一个线程总占用CPU，别的线程没法干活
- 多核CPU可以并行跑多个线程，但能否提高程序运行效率还是要分情况的
- 有些任务，经过精心的设计，将任务拆分，并行执行，当然可以提高程序的运行效率，但不是所有计算任务都能拆分（参考后文的【阿姆达尔定律】）
- 也不是所有任务需要拆分，任务的目的如果不同，谈拆分和效率没啥意义
- IO操作不占用CPU，只是我们一般拷贝文件使用的是【阻塞IO】，这时相当于线程虽然不用CPU，但需要一直等待IO结束，没能充分利用线程，所以才有后面的【非阻塞IO】和【异步IO】优化
3、Java线程
本章内容
- 创建和运行线程
- 查看线程
- 线程API
- 线程状态
3.1 创建和运行线程
方法一、直接使用Thread
// 创建线程对象
Thread t = new Thread(){
public void run(){
// 要执行的任务
}
}
// 启动线程
t.start();
例如：
// 构造方法的参数是给线程指定名字，推荐
Thread t1 = new Thread("t1"){
@Override
// run 方法内实现了要执行的任务
public void run(){
log.debug("hello");
}
};
t1.start();
输出：
方法二、使用Runnable配合Thread
把【线程】和【任务】（要执行的代码）分开
- Thread代表线程
- Runnable可运行的任务（线程要执行的代码）
Runnable runnable = new Runnable(){
public void run(){
// 要执行的任务
}
}
// 创建线程对象
Thread t = new Thread(runnable);
// 启动线程
t.start();
例如：
//创建任务对象
Runnable runnable = new Runnable(){
public void run(){
log.debug("hello")
}
}
// 参数1 是任务对象 参数2 是任务名字（推荐）
// 创建线程对象
Thread t = new Thread(runnable,"t2");
// 启动线程
t.start();
java8 以后可以使用lambda精简代码
//创建任务对象
Runnable task2 = () -> {log.debug("hello")};
//参数1是任务对象 参数2 是线程名字，推荐写
Thread t2 = new Thread(task2,"t2");
t2.start();
原理之Thread与Runnable的关系
分析Thread的源码，理清它与Runnable的关系
小结
- 方法1是把线程和任务合并在了一起，方法2是把线程和任务分开了
- 用Runnable更容易与线程池等高级API配合
- 用Runnable让任务类脱离了Thread继承体系，更灵活
方法三、FutureTask配合Thread
FutureTask能够接收Callable类型的参数，用来处理有返回结果的情况
// 创建任务对象
FutureTask<Integer> task3 = new FutureTask(()->{
log.debug("hello");
Thread.sleep(2000);
return 100;
});
// 参数1 是任务对象； 参数2 是线程名字 推荐
new Thread(task3,"t3").start();
// 主线程阻塞，同步等待task3执行完毕的结果
Integer result = task3.get();
log.debug("结果是：{}",result);
3.2 观察多个线程同时运行
主要是理解
- 交替执行
- 谁先谁后，不由我们控制
public static void main(String[] args){
new Thread(()->{
while(true){
log.debug("running");
}
},"t1").start();
new Thread(()->{
while(true){
log.debug("running");
}
},"t2").start();
}
3.3查看进程线程的方法
windows
- 任务管理器可以查看进程和线程数，也可以用来杀死进程
- tasklist查看进程
- taskkill杀死进程
Linux
- ps -fe 查看所有进程
- ps -fT -p 查看进程(PID)的所有线程
- kill杀死进程
- top 按大写H切换是否显示线程
- top -H -p 查看某个进程（PID）的所有线程
Java
- jps命令查看所有Java进程
- jstack 查看某个Java进程（PID）的所有线程状态
- jconsole来查看某个Java进程中线程的运行情况(图形界面)
jconsole远程监控配置
-
需要以如下方式运行你的Java类
java -Djava.rmi.server.hostname=`ip` -Dcom.sun.management.jmxremote -Dcom.sun.management.jmxremote.port="连接端口" -Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=是否安全连接 -Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=是否认证 java类 -
修改/etc/hosts文件127.0.0.1映射至主机名
如果要认证访问，还需要做如下步骤
- 复制jmxremote.password文件
- 修改jmxremote.password和jmxremote.access文件的权限为600即文件所有者可读写
- 连接时填入controlRole(用户名)，R&D（密码）
3.4 原理之线程运行
栈与栈帧
Java Virtual Machine Stacks(java虚拟机栈)
我们都知道JVM中由堆、栈、方法区所组成，其中内存是给谁用的呢？
其实就是线程，每个线程启动后，虚拟机就会为其分配一块栈内存。
- 每个栈由多个栈帧（Frame）组成，对应着每次方法调用时所占用的内存
- 每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的那个方法
线程上下文切换（Thread Context Switch）
因为以下一些原因导致CPU不再执行当前的线程，转而执行另一个线程的代码
- 线程的CPU时间片用完
- 垃圾回收
- 有更高优先级的线程需要运行
- 线程自己调用了sleep、yield、wait、join、park、synchronized、lock等方法程序
当Context Switch发生时，需要有操作系统保存当前线程的状态，并恢复另一个线程的状态，Java中对应的概念就是程序计数器（Program Counter Register）,它的作用是记住下一条JVM指令的执行地址，是线程私有的
- 状态包括程序计数器，虚拟机栈中每个栈帧的信息，如局部变量、操作数栈、返回地址等
- Context Switch频繁发生会影响性能
