Java多线程--多线程相关概念

一、相关概念

我们之前学习的程序在没有跳转语句的情况下，都是由上至下沿着一条路径依次执行。现在想要设计一个程序，可以同时有多条执行路径同时执行。比如，一边游戏，一边qq聊天，一边听歌，怎么设计？

要解决上述问题，需要使用多进程或者多线程来解决。

（1）程序、进程与线程

• 程序（program）：为完成特定任务，用某种语言编写的一组指令的集合。即指一段静态的代码，静态对象。

• 进程（process）：程序的一次执行过程，或是正在内存中运行的应用程序。如：运行中的QQ，运行中的网易音乐播放器。

  • 每个进程都有一个独立的内存空间，系统运行一个程序即是一个进程从创建、运行到消亡的过程。（生命周期）
  • 程序是静态的，进程是动态的。
  • 进程作为操作系统调度和分配资源的最小单位（亦是系统运行程序的基本单位），系统在运行时会为每个进程分配不同的内存区域。
  • 现代的操作系统，大都是支持多进程的，支持同时运行多个程序。比如：现在我们上课一边使用编辑器，一边使用录屏软件，同时还开着画图板，dos窗口等软件。

• 线程（thread）：进程可进一步细化为线程，是程序内部的一条执行路径。一个进程中至少有一个线程。

  • 一个进程同一时间若并行执行多个线程，就是支持多线程的。

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  • 线程作为CPU调度和执行的最小单位。

  • 一个进程中的多个线程共享相同的内存单元，它们从同一个堆中分配对象，可以访问相同的变量和对象。这就使得线程间通信更简便、高效。但多个线程操作共享的系统资源可能就会带来安全的隐患。

  • 下图中，红框的蓝色区域为线程独享，黄色区域为线程共享。

红框内对应一个进程，即一个应用程序，可以理解为JVM的一个实例，相当于Java虚拟机现在在运行这样一个项目，这个项目就是应用程序，一运行就是一个进程。

一个进程里面可以有多个线程，即执行路径。

有一些内存结构是每个线程一份，有一些内存结构是多个线程共享的。

每一个线程都有一个虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器，多个线程对应的进程只有一份方法区和堆。

栈可能有多个，每个线程对应一个虚拟机栈，对应的栈执行到哪里了，这里有一个记录，指定的地址就是程序计数器，所以程序计数器也是每个线程一份。本地方法栈就是调用内存方法的栈，每个线程一份。

大家共享方法区和堆，只有一个堆，优点是可以使多个线程处理一个进程共享数据问题比较方便（线程间的通信），缺点是不安全（线程的安全问题）。

注意：

不同的进程之间是不共享内存的。

进程之间的数据交换和通信的成本很高。

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【面试题】

?程序、进程和线程的区分：

• 程序(program)：为完成特定任务，用某种语言编写的一组指令的集合。即指一段静态的代码。
• 进程(process)：程序的一次执行过程，或是正在内存中运行的应用程序。
  • 程序是静态的，进程是动态的。
  • 进程作为操作系统调度和分配资源的最小单位。
• 线程(thread)：进程可进一步细化为线程，是程序内部的一条执行路径。
  • 线程作为CPU调度和执行的最小单位。

（2）查看进程和线程

我们可以在电脑底部任务栏，右键----->打开任务管理器，可以查看当前任务的进程：

1、每个应用程序的运行都是一个进程

2、一个应用程序的多次运行，就是多个进程

3、一个进程中包含多个线程

（3）线程调度

• 分时调度
  所有线程轮流使用 CPU 的使用权，并且平均分配每个线程占用 CPU 的时间。
• 抢占式调度
  让优先级高的线程以较大的概率优先使用 CPU。如果线程的优先级相同，那么会随机选择一个(线程随机性)，Java使用的为抢占式调度。

（4）多线程程序的优点

背景：以单核CPU为例，只使用单个线程先后完成多个任务（调用多个方法），肯定比用多个线程来完成用的时间更短，为何仍需多线程呢？

多线程程序的优点：

1. 提高应用程序的响应。对图形化界面更有意义，可增强用户体验。
2. 提高计算机系统CPU的利用率
3. 改善程序结构。将既长又复杂的进程分为多个线程，独立运行，利于理解和修改

二、补充概念

（1）单核CPU和多核CPU

单核CPU，在一个时间单元内，只能执行一个线程的任务。例如，可以把CPU看成是医院的医生诊室，在一定时间内只能给一个病人诊断治疗。所以单核CPU就是，代码经过前面一系列的前导操作（类似于医院挂号，比如有10个窗口挂号），然后到cpu处执行时发现，就只有一个CPU（对应一个医生），大家排队执行。

这时候想要提升系统性能，只有两个办法，要么提升CPU性能（让医生看病快点），要么多加几个CPU（多整几个医生），即为多核的CPU。

?问题：多核的效率是单核的倍数吗？譬如4核A53的cpu，性能是单核A53的4倍吗？理论上是，但是实际不可能，至少有两方面的损耗。

• 一个是多个核心的其他共用资源限制。譬如，4核CPU对应的内存、cache、寄存器并没有同步扩充4倍。这就好像医院一样，1个医生换4个医生，但是做B超检查的还是一台机器，性能瓶颈就从医生转到B超检查了。
• 另一个是多核CPU之间的协调管理损耗。譬如多个核心同时运行两个相关的任务，需要考虑任务同步，这也需要消耗额外性能。好比公司工作，一个人的时候至少不用开会浪费时间，自己跟自己商量就行了。两个人就要开会同步工作，协调分配，所以工作效率绝对不可能达到2倍。

（2）并行与并发

• 并行（parallel）：指两个或多个事件在同一时刻发生（同时发生）。指在同一时刻，有多条指令在多个CPU上同时执行。比如：多个人同时做不同的事。

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• 并发（concurrency）：指两个或多个事件在同一个时间段内发生。即在一段时间内，有多条指令在单个CPU上快速轮换、交替执行，使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果。

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在操作系统中，启动了多个程序，并发指的是在一段时间内宏观上有多个程序同时运行，这在单核 CPU 系统中，每一时刻只能有一个程序执行，即微观上这些程序是分时的交替运行，只不过是给人的感觉是同时运行，那是因为分时交替运行的时间是非常短的。

而在多核 CPU 系统中，则这些可以并发执行的程序便可以分配到多个CPU上，实现多任务并行执行，即利用每个处理器来处理一个可以并发执行的程序，这样多个程序便可以同时执行。

目前电脑市场上说的多核 CPU，便是多核处理器，核越多，并行处理的程序越多，能大大的提高电脑运行的效率。