Java多线程进阶(一):进程与线程的基本概念

进程产生的背景

最初的计算机只能接受一些特定的指令,用户每输入一个指令,计算机就做出一个操作。当用户在思考或者输入时,计算机就在等待。这样效率非常低下,在很多时候,计算机都处在等待状态。

  • 批处理操作系统

后来有了批处理操作体统,把一系列需要操作的指令写下来,形成一个清单,一次性交给计算机。用户将多个需要执行的程序写在磁带上,然后交由计算机去读取并逐个执行这些程序,并将输出结果写在另一个磁带上。

批处理操作系统在一定程度上提高了计算机的效率,但是由于批处理操作系统的指令运行方式仍然是串行的,内存中始终只有一个程序在运行,后面的程序需要等待前面的程序执行完成后才能开始执行,而前面的程序有时会由于I/O操作、网络等原因阻塞,所以批处理操作效率也不高。

  • 进程的提出

人们对于计算机的性能要求越来越高,现有的批处理操作系统并不能满足人们的需求,而批处理操作系统的瓶颈在于内存中只存在一个程序,那么内存中能不能存在多个程序呢?这是人们亟待解决的问题。

于是,科学家们提出了进程的概念。

进程就是应用程序在内存中分配的空间,也就是正在运行的程序,各个进程之间互不干扰。同时进程保存着程序每一个时刻运行的状态

此时,CPU采用时间片轮转的方式运行进程:CPU为每个进程分配一个时间段,称作它的时间片。如果在时间片结束时进程还在运行,则暂停这个进程的运行,并且CPU分配给另一个进程(这个过程叫做上下文切换)。如果进程在时间片结束前阻塞或结束,则CPU立即进行切换,不用等待时间片用完。当进程暂停时,它会保存当前进程的状态(进程标识,进程使用的资源等),在下一次切换回来时根据之前保存的状态进行恢复,接着继续执行。

使用进程+CPU时间片轮转方式的操作系统,在宏观上看起来同一时间段执行多个任务,换句话说,进程让操作体统的并发成为了可能。虽然并发从宏观上看有多个任务在执行,但在事实上,对于单核CPU来说,任意具体时刻都只有一个任务在占用CPU资源。

虽然进程的出现,使得操作系统的性能大大提升,但是随着时间的推移,人们并不满足一个进程在一段时间只能做一件事情,如果一个进程有多个子任务时,只能逐个得执行这些子任务,很影响效率,此时线程出现了。

线程的提出

那么能不能让这些子任务同时执行呢?于是科学家们又提出了线程的概念,让一个线程执行一个子任务,这样一个进程就包含了多个线程,每个线程负责一个单独的子任务。

总之,进程和线程的提出极大的提高了操作提供的性能。进程让操作系统的并发性成为了可能,而线程让进程的内部并发成为了可能。

多进程的方式也可以实现并发,为什么我们要使用多线程?

多进程方式确实可以实现并发,但使用多线程,有以下几个好处:
- 进程间的通信比较复杂,而线程间的通信比较简单,通常情况下,我们需要使用共享资源,这些资源在线程间的通信比较容易。
- 进程是重量级的,而线程是轻量级的,故多线程方式的系统开销更小。

进程和线程的区别

进程是一个独立的运行环境,而线程是在进程中执行的一个任务。他们两个本质的区别是是否单独占有内存地址空间及其它系统资源(比如I/O):

  • 进程单独占有一定的内存地址空间,所以进程间存在内存隔离,数据是分开的,数据共享复杂但是同步简单,各个进程之间互不干扰;而线程共享所属进程占有的内存地址空间和资源,数据共享简单,但是同步复杂。

  • 进程单独占有一定的内存地址空间,一个进程出现问题不会影响其他进程,不影响主程序的稳定性,可靠性高;一个线程崩溃可能影响整个程序的稳定性,可靠性较低。

  • 进程单独占有一定的内存地址空间,进程的创建和销毁不仅需要保存寄存器和栈信息,还需要资源的分配回收以及页调度,开销较大;线程只需要保存寄存器和栈信息,开销较小。

  • 另外一个重要区别是,进程是操作系统进行资源分配的基本单位,而线程是操作系统进行调度的基本单位,即CPU分配时间的单位 。

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