java并发编程笔记 之 线程和进程

前言

• 并发

  1、并发是指在同一时间段内，计算机系统能够处理多个任务的能力。
  2、在并发编程中，我们可以理解为多个线程竞争同一个资源
  3、操作系统中有 线程控制块 和 进程控制块，用来记录当前时间片执行到的程序位置

• 并行

  多个线程或者进程各自执行各自的任务，互不干扰。
  （并行不会出现竞争同一个资源，在此我们不多做讨论，后续文章均已并发为主）

• 高速缓存

  对于频繁重复访问的数据，我们可以存储在高速缓存中，这样可以释放总线，提高计算速度
  高速缓存的容量比较小，当容量不足时会往内存中写回数据（具体的写回时间不确定）。

线程

• 定义：
  • 是一个指令流（指令和数据的不断入栈和出栈），即程序的执行顺序，是进程中真正执行的基本单位
• 单线程：
  • 只有一个虚拟机栈，程序从上到下依次执行
  • 单线程是作为局部变量存在的
• 多线程：
  • 1、多个指令流，相当于创建多个虚拟机栈
  • 2、继承Thread后不再是局部变量，变成一个线程

线程优先级和时间片

• 和操作人员接触多的指令，它的优先级会更高（即更容易获得操作系统的时间片）
• 如果时间片结束时未完成所有任务，则记录执行到的位置，然后任务重新会进入就绪态
• 如果时间片未到时间但已完成任务，则剩余的时间片会执行其他任务

创建多线程及运行

• 线程代码：

  public class Test {public static void main(String[] args) {int[] arr = {0};Thread threadA = new Thread(){@Overridepublic void run() {System.out.println("theadA启动 ~~ ");for(int i=0;i<1000000;i++){arr[0]++;}System.out.println("threadA下的arr[0] = " + arr[0]);}};Thread threadB = new Thread(){@Overridepublic void run() {System.out.println("theadB启动 ~~ ");for (int i = 0; i < 1000000; i++) {arr[0]++;}System.out.println("threadB下的arr[0] = " + arr[0]);}};threadA.start();	// threadA进入线程就绪队列threadB.start();	// threadB进入线程就绪队列System.out.println(arr[0]);}
  }
  

• 代码说明：

  1、线程.start()是进入线程就绪队列，新建线程后需要启用start进入就绪队列
  2、当前有三个线程：threadA、threadB 和main主线程

• 运行结果（打印结果是不确定的）：

  第一种可能结果：
  
  第二种可能结果：
  
  第三种可能结果：
  
  第四种可能结果：
  

• 结果分析：

  • 1、threadA和threadB是互相独立的，执行顺序是不确定的。

    线程内部的代码时按顺序来执行的

  • 2、主线程main优先执行的概率较大（注意只是概率哦）
  • 3、先进入就绪队列（如threadA）的先执行的概率大

    可以观察到上边几种结果，threadA先打印的次数比threadB要多

  • 4、线程被选中后，分配的时间片时长是不固定的

    我们以 结果一 和 结果三 来进行分析：
    （1）线程threadA被选中，分配了时间片运行：打印开始启动后对arr[0]进行增加
    （2）arr[0]增到到”35932“后，时间片结束，开始运行 主线程main ，打印”35932“
    （3）仅 System.out.println(arr[0]) 是用不完分配给主线程main的时间片的，分配给主线程main的时间片用不完，当打印完后，就会结束主线程main继续执行下一个，要么选中threadA要么选中threadB
    （4）【选中threadB】，分配时间片：打印”启动“后对arr[0]进行增加
    （5）这里需要循环100w次，注意这里threadA和threadB中arr[0]增加是threadA和threadB交替着来的
    （6）当循环都完成的时候，打印出每个线程下的结果：可能先是threadA也可能先是threadB

• 线程不安全：

  如果线程安全：无论哪个线程，最后打印的结果应该是200w
  （但实际结果并不这样）

  从严格物理上来讲，同一时刻只有一个线程指令通过总线来操作内存。
  而内存同一时刻也只能由一个线程来操作。

  因为有高速缓存：
  （1）当threadA读取到arr[0]=0，然后开始计算
  （2）threadA操作的数据存储在高速缓存中，没有往回更新时，时间片结束
  （3）threadB读取arr[0]，此时arr[0]=0，然后开始计算
  （4）当threadA计算到50w时，高速缓存更新arr[0]，arr[0] = 50w
  （5）然后threadB计算到100w时，高速缓存更新arr[0]，直接覆盖arr[0] = 100w
  （6）threadA再次读取到arr[0]=100w，执行剩下的50w次，最后计算结果arr[0]=150w，而不是200w
  （7）这里有两个极限：最小是2，最大是200w

线程的状态

• 新建

  新建的线程并不会进入就绪态，需要启动

• 就绪态

  进入就绪队列的顺序是有先后的，但是执行的时候不会按照进入的顺序来。
  即操作系统选中哪个线程先执行是不确定的
  先进入就绪态先执行的概率会大，但是不是绝对的

• 运行态：被cpu选中

  1、运行中，当前时间片内未完成线程任务，当时间片结束时，通过线程控制块记录数据，线程重新进入就绪态
  2、在时间片内运行结束，进入死亡态

• 死亡态

  线程运行完毕

• 阻塞态：线程竞争加锁的资源失败，会进入阻塞队列

  当竞争的资源锁一旦被释放后，该线程会重新进入就绪队列参与竞争

• 等待态：

  运行中的线程可以自己进入等待队列。
  进入等待队列中的线程，如果没有通知，则会一直留在队列，操作系统不会选中该任务

• 睡眠态：

  此处不细讲，以下为两个进入睡眠态的方法：

  • Thread.sleep(时长) 方法进入休眠的线程不会释放持有的锁
  • object.wait()方法进入休眠的线程会释放锁，但是唤醒需要其他线程调用了该对象的 notify() 或 notifyAll() 方法

进程

• 正在运行的程序，我们称为进程。
  （如我们打开的chrome浏览器，QQ音乐，微信，均被称为进程）
• QQ音乐这个线程包含了代码、账号信息登数据以及内存空间
• 如果我们选择了一个音乐播放，那么这是一个线程
• 如果我们让播放器显示桌面歌词，这也是一个线程
• 喜欢一个音乐，点击收藏，这也是一个线程

查看进程的命令

• windows

  查看所有的进程：tasklist
  杀死进程：taskkill /F /PID pid号

• linux

  查看所有的进程：ps -ef
  查看指定的进程：
  杀死进程：kill -9 pid号

进程的通信方式

• 管道：

  原理：内核中的一个缓存。是一种半双工的通信方式，即一个进程的输出作为另一个进程的输入
  （单工：一方只能发送，其他只能接受，做不到信息互动。可以想象一下收音机）
  （半双工：需要等一方发送完毕，另一方才可以发送。可以想象一下对讲机）
  （双工：可以等一方发送完毕，也可以同时发送。可以想象一下升级的电话通话）

  优点：最简单
  缺点：效率最差，不适合进程间频繁的交换数据

• FIFO：

  与管道类似，但是允许不想关的进程进行通信，且可以跨终端会话

• 消息队列：

  允许进程以消息的形式进行通信，消息可以按照一定的顺序进行传递

  优点：可以边发送边接收，不需要等待完整的数据
  缺点：
  （1）每个消息体有最大长度的限制，队列所包含消息体的总长度也有上限
  （2）消息队列通信存在用户态和内核态之间的数据拷贝问题，耗性能

• 共享内存区

  原理：不同的进程拿出一块虚拟内存空间，映射到相同的物理内存空间。这样一个进程写入的东西，另一个进程马上就能够看到，不需要进行拷贝。

  优点：解决了消息队列存在
  缺点：如果有多个进程网内存写入数据，后写数据的会对前边的数据有覆盖

• 信号量

  • 原理

    基于共享内存的多进程不安全的情况，增加一个保护机制-信号量。
    信号量本质上是一个整型的计数器，用于实现进程间的互斥和同步。

  • 过程：信号量S初始为1；P操作是让信号量-1；V操作是让信号量+1
    

  1、进程A访问共享内存前执行P操作，更改信号量：S=S-1=0
  2、进程A访问共享内存
  3、进程B访问共享内存前执行P操作，更改信号量：S=S-1=0-1=-1，临界资源被占用
  4、进程B被阻塞，进入阻塞队列
  5、进程C访问共享内存前执行P操作，更改信号量：S=S-1=-1-1=-2，临界资源被占用
  6、进程C被阻塞，进入阻塞队列
  7、进程A访问完毕，执行V操作，更改信号量：S=S+1=-2+1=-1
  8、唤醒阻塞队列中的进程B
  
  信号量S=-1
  1、进程B访问共享内存
  2、进程B访问完毕，执行V操作，更改信号量：S=S+1=0
  3、唤醒阻塞队列中的进程C
  
  1、进程C访问共享内存
  2、进程B访问完毕，执行V操作，更改信号量：S=S+1=1
  3、结束

• 信号量互斥：当多进程访问共享内存时，信号量<1时不允许其他进程访问；

• 信号量同步：当信号量恢复成初始值1时会唤醒其他进程来访问数据

线程和进程的区别

从关系上

1、进程是操作系统资源分配的基本单位，线程是程序执行的最小单位
2、每个进程都至少拥有一个线程来执行地址空间中的代码
3、进程是线程的容器，单个进程可以包含若干个线程，且这些线程可以同时执行进程地址空间中的代码
4、进程是安全的；多线程时会出现争抢同一个资源的情况，即多线程更改同一变量会出现问题，故线程是不安全的
5、多个线程共享进程的堆和方法区，但是每个线程都有自己的程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈。

疑问集锦

• 线程为什么不能独立存在

  因为线程是依赖于进程存在的。线程是进程内的执行单元，自己本身并不拥有系统资源，线程使用本身的资源
  线程如果允许独立存在，系统需要为它分配资源和空间，那么起始就等同于一个进程了。而线程是进程的轻量级，可以快速创建和销毁。

• 线程之间为什么会交替运行

  因为有时间片轮转
  (分时操作系统中，windows的时间片分配不是固定时间，linux中时间片分配时固定的时间）

• 线程安全是什么？

  同一个进程内的资源是共享给若干个线程的，当多个线程更改同一块内存区域时，会导致该内存的数据互相覆盖

• 怎么保证线程安全？

  同步：使用synchronize关键字 或 reentrantlock
  不可变对象：创建值无法更改的对象，如增加关键字final
  原子类：使用atomicinteger等原子类执行原子操作
  volatile关键字：确保变量在多线程间可见
  内存屏障：通过thread.memorybarrier()方法强制执行内存访问顺序

• 为什么进程开销比线程大

  进程之间资源不共享，每个进程都有自己独立的地址空间和系统资源，占用的内存大；线程之间资源共享，同一个进程中的线程共享进程的地址空间和系统资源，占用的内存小。