Java并发2-进程与线程

1.1. 进程与线程

1.1.1. 进程

程序有指令和数据组成，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，这是就要开启了一个进程；
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）。

1.1.2. 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，只是作为线程的容易。

1.1.3. 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讯成为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要比进程上下文切换低。

1.2. 并发与并行

1.2.1. 并发

单核CPU下，线程实际上还是串行执行的。操作系统中有一个组件叫做任务调度器，将CPU的时间片分给不用的线程使用，只是由于CPU在线时间（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。

1.2.2. 并行

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 的一段描述：

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

Rob Pike 资料：

golang语言的创造者

Rob Pike——百度百科

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很多事情，这时就是并发
家庭主妇雇了个保姆，她们一起做这些事，这时即有并发，也有并行（这时会产生竞争，例如锅只有一口，一个人用锅时，另一个人就要等待）
雇了3个保姆，一个专做饭、一个专打扫卫生、一个专喂奶，互补干扰，这时是并行。

1.3. 应用

1.3.1. 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外一层意思，是让多个线程步调一致。

设计

多线程可以让方法执行变为异步的（即不要干巴巴等着）比如说读取磁盘文件时，假设读取操作话费了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，其代码都这暂停

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，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。

2.3.2. 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		10ms
计算2		花费		11ms
计算3		花费		9ms
汇总需要 12 ms

如果是串行执行，那么总花费的时间是10+11+9 = 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，花费时间只取决于最长的那个线程运行的时间，即11ms 最后加上汇总时间只会花费12ms。

注意：
需要在多核CPU才能提高效率，单核时仍然是轮流执行

设计

>>>>> 代码见【应用之效率—案例1】<<<<<

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】）
- 也不是所有任务都需要拆分，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，没有充分利用到线程。所以才会后面的【非阻塞IO】和【异步IO】优化。