程序、进程和线程的基本概念

前言

本文是多线程系统文章的第一篇，先介绍一下一些基础概念。

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一、程序的概念

程序是由某种编程语言（C、Java等等）的指令和数据的有序集合，能够完成某个特定任务，是一段静态的代码。

二、进程的概念

进程是程序在内存中分配的空间，也就是正在操作系统中运行的程序，是一个动态的过程。

进程的特点：

• 进程之间相互不干扰，一个进程发生崩溃不会影响其他进程的运行，不会影响主程序的稳定性。
• 是操作系统进行资源分配的基本单位。
• 具有单独的内存空间。

三、线程的概念

虽然进程的出现，使得操作系统的性能??提升，但是随着时间的推移，?们并不满??个进程在?段时间只能做?件事情，如果?个进程有多个?任务时，只能逐个得执?这些?任务，很影响效率。

比如杀毒软件在检测?户电脑时，如果在某?项检测中卡住了，那么后?的检测项也会受到影响。或者说当你使?杀毒软件中的扫描病毒功能时，在扫描病毒结束之前，?法使?杀毒软件中清理垃圾的功能，这显然无法满足人们的要求。

为了使进程内的多个子任务同时运行，人们提出了线程的概念，在进程之中创键线程，每个线程负责一个单独的子任务。

线程的特点：

• 一个进程内的线程之间共享内存单元地址，数据之间共享简单。
• 线程是操作系统进行调度的基本单位。
• 每个线程拥有着独立的运行栈和程序计数器。

四、并行和并发的概念

并行（parallel）：是指同一时刻有多条指令在多个处理器上同时执行。

并发（concurrency）：是指同一时刻只能有一条指令执行，但是多个进程指令被CPU快速轮换执行，使得宏观上感觉多个进程同时执行的感觉，但是微观上不是同时执行的，而是将时间分成若干段。

比喻：QQ和微信同时运行，是并行。在微信上同时与多人聊天，是并发。

这里涉及到线程的运行方式：CPU采用时间片轮转，即为每个线程分配一个时间段，称作它的时间片。一个线程在它的时间片结束之前如果没有结束，操作系统会结束掉当前线程的运行，保存当前线程的状态（程序计数器、运行栈等等），并将CPU分配给另一个线程（这个过程称之为上下文切换）。如果线程在时间片结束之前完成任务或者阻塞，则CPU立即进行切换，不用等待时间片结束。

采用线程+CPU时间片轮转的方式操作系统，使单核CPU在宏观上看起来同一时刻执行多个任务，但是微观上单核CPU同一时刻只有一个任务在执行。

五、同步和异步的概念

**同步：**多个任务需要执行的时候，这些任务只能逐个执行，如果先前的任务还没有完成，后面的任务则不能执行，一个任务的执行会导致整个流程进入短暂的等待，这些任务不能并发执行。

异步：多个任务需要执行的时候，这些任务可以并发的执行，一个任务的执行并不会导致整个流程进入等待。

例如有两个任务A和B，如果是同步执行的话，当A执行的时候，任务B只能等待任务A执行完毕才能执行，期间只能等待。而异步的话，任务A和任务B可以并发执行，任务B不需要等待任务A执行完毕

六、栈与栈帧

Java虚拟机栈：

我们知道JVM是由堆、栈和方法区组成，其中栈就是每个线程所私有的内存空间。每个栈中包含了一个程序计数器和多个栈帧。堆是线程的共享区域。

JVM内存中关于进程和线程：

栈和栈帧的内存图：

七、上下文切换

如果发生了线程切换，这时候需要保存当前线程的上下文信息，留待下次抢占到了CPU资源之后可以恢复线程。保存完成之后，就加载下一个要占用CPU资源的线程，这就是上下切换。

引发上下文切换的情况：

• 主动让出CPU，比如调用了wait()、sleep()方法等等。
• 线程的CPU时间片用完了
• 调用了阻塞类型的系统中断，比如请求I/O，线程就会被阻塞。