Java并发编程——进程与线程

Java并发编程

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到磁盘、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安全卫士等）

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，只是作为线程的容器

二者对比

• 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，并遵守共同的协议，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

并发与并行

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下时间片小约为15毫秒分给不同的程序使用，只是由于cpu在线程间（时间片很短）的切换非常快，人类感觉是 同时运行的。总结为一句话就是：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

Erlang之父Joe Armstrong用这样一张图解释了并发与并行的区别

• 并发（concurrent）是同一时间应对（dealing with）多件事情的能力,

• 并行（parallel）是同一时间动手做（doing）多件事情的能力

应用

以调用方角度来讲

• 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

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 cpu 什么都做不了，其它代码都得暂停。

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，这时开一个新线程处理视频转换。我在这个博客网站大家留言后，我回复大家，系统都会发一封邮件通知，发邮件这个过程大概有五六秒，但如果同步执行则会很影响用户体验，所以我都会开一个线程异步执行，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，开线程进行其他操作，避免阻塞ui线程

例子
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，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 1 ms

如果是串行执行，那么总共花费的时间是 10 + 11 + 9 + 1 = 31ms
但如果是四核 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，花费时间只取决于长的那个线程运行的时间，即 11ms 后加上汇总时间只会花费 12ms

Note

1. 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
2. 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（【阿姆达尔定律】） 也不是所有任务都需要拆分，任务的目的如果不同，谈拆分和效率没啥意义
3. 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