前言

大家好，一直以來我都本著用最通俗的話理解核心的知識(shí)點(diǎn), 我認(rèn)為所有的難點(diǎn)都離不開 「基礎(chǔ)知識(shí)」 的鋪墊。目前正在出一個(gè)Java多線程專題長(zhǎng)期系列教程，從入門到進(jìn)階, 篇幅會(huì)較多, 喜歡的話，給個(gè)關(guān)注?? ~

適合人群

• 有一定的Java基礎(chǔ)。
• 想學(xué)習(xí)或了解多線程開發(fā)。
• 想提高自己的同學(xué)。

背景

之前給大家講了一些框架的使用，這些都屬于業(yè)務(wù)層面的東西，你需要熟練掌握它并在項(xiàng)目中會(huì)運(yùn)用它即可，但這些對(duì)自身技術(shù)的積累是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，如果你想要提高自己，對(duì)于語言本身你需要花更多的時(shí)間去挖掘而不是局限于框架的使用，所以之前為什么跟大家一直強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)的重要性，框架可以千變?nèi)f化，層出不窮，但是基礎(chǔ)它是不變的，不管是學(xué)java還是前端或者是其它語言, 這一點(diǎn)大家還是需要認(rèn)清的。

接下來的幾期會(huì)專門講多線程這一塊,篇幅會(huì)較多,耐心看完你一定會(huì)有收獲~

情景回顧

之前有給大家講過Java的基礎(chǔ)和進(jìn)階部分,如果這方面還薄弱的同學(xué)，可以到底部查看往期教程。那時(shí)本來想把多線程也出一些教程，但是可能對(duì)于大家會(huì)有點(diǎn)難度，特別是剛?cè)腴T的同學(xué)，而且這方面的知識(shí)又比較多。或許平時(shí)項(xiàng)目開發(fā)，只是用用框架或者直接使用框架提供的一些多線程方法，很少會(huì)自己手寫，即便這樣，還是需要深入學(xué)習(xí)的，因?yàn)槊嬖嚨臅r(shí)候，這個(gè)地方幾乎是必問的，而且對(duì)于自身的提高還是有幫助的。

今天我們不涉及代碼部分，先帶著大家過一遍理論，一起來看一下什么是線程和進(jìn)程 ~

什么是進(jìn)程

在講之前，先給大家講一下，在早期，計(jì)算機(jī)是如何工作的。

在很早以前，計(jì)算機(jī)都是通過一個(gè)個(gè)指令去工作的，用戶輸入一個(gè)指令，計(jì)算機(jī)完成一個(gè)操作,這種效率是很低的。因?yàn)檩斎胍粋€(gè)指令，計(jì)算機(jī)就等待。后來人們引入了批量處理，將一系列指令交給計(jì)算機(jī)處理，但是這個(gè)過程仍然是串行的,內(nèi)部執(zhí)行還是會(huì)阻塞。隨著時(shí)間的發(fā)展，人們對(duì)于計(jì)算機(jī)的性能要求越來越高，因?yàn)闀r(shí)間就是金錢,如果能提高效率，老板當(dāng)然高興了~

后來，人們就提出了計(jì)算機(jī)進(jìn)程的概念, 我們先看一下百科中是如何描述進(jìn)程的:

進(jìn)程(Process)是計(jì)算機(jī)中的程序關(guān)于某數(shù)據(jù)集合上的一次運(yùn)行活動(dòng)，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位，是操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。在早期面向進(jìn)程設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)中，進(jìn)程是程序的基本執(zhí)行實(shí)體

這里，仍然不給大家提線程的概念,我們接著看進(jìn)程。我們從中可以得到一個(gè)核心點(diǎn),它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源分配和調(diào)度的基本單位。那么它又是怎么去分配和調(diào)度的呢?

上下文切換

當(dāng)程序通過某種手段(編程語言編寫)被編譯為一系列指令和數(shù)據(jù)集合后，此時(shí)，CPU采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式運(yùn)行進(jìn)程。CPU為每個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)時(shí)間段，稱作它的時(shí)間片。如果在時(shí)間片結(jié)束時(shí)進(jìn)程還在運(yùn)行，則暫停這個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行，并且CPU分配給另一個(gè)進(jìn)程(這個(gè)過程叫做上下文切換)。如果進(jìn)程在時(shí)間片結(jié)束前阻塞或結(jié)束，則CPU立即進(jìn)行切換，不用等待時(shí)間片用完。

當(dāng)進(jìn)程暫停時(shí)，它會(huì)保存當(dāng)前進(jìn)程的狀態(tài)(進(jìn)程標(biāo)識(shí)，進(jìn)程使用的資源等)，在下一次切換回來時(shí)根據(jù)之前保存的狀態(tài)進(jìn)行恢復(fù)，接著繼續(xù)執(zhí)行。

使用進(jìn)程和CPU時(shí)間片輪轉(zhuǎn)方式，在宏觀上看起來同一時(shí)間段執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，但在事實(shí)上，對(duì)于單核CPU來說，任意具體時(shí)刻都只有一個(gè)任務(wù)在占用CPU資源。

隨著時(shí)間的推移，人們覺得這種方式還是有點(diǎn)效率低，不能夠滿足日常需求了。下面就是我們要講的線程的概念了

什么是線程

我們知道進(jìn)程在某一時(shí)刻只能處理一件事情，如果要處理其它的，只能等待前面的任務(wù)完成。于是呢，人們就提出了線程的概念。之前講進(jìn)程的概念的時(shí)候，其實(shí)還有一句話:

在當(dāng)代面向線程設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)中，進(jìn)程是線程的容器。程序是指令、數(shù)據(jù)及其組織形式的描述，進(jìn)程是程序的實(shí)體。

從中可知，線程是存于進(jìn)程之中,一個(gè)進(jìn)程可以有多個(gè)線程，一個(gè)線程可以處理一個(gè)子任務(wù)，它是并發(fā)程序的基礎(chǔ)。有的人可能問了，我多進(jìn)程處理不也可以嗎?使用多線程有什么優(yōu)勢(shì)?

首先我們需要知道的是處理一個(gè)程序不單單是執(zhí)行任務(wù)，完了就結(jié)束了，往往我們的執(zhí)行的任務(wù)之間是互相依賴的，也就是說任務(wù)之間需要交互，在這里叫進(jìn)程通信或者線程通信。下面我們就說說這兩者的比較

進(jìn)程通信 & 線程通信

首先我們要知道進(jìn)程和線程的本質(zhì)區(qū)別，線程是進(jìn)程的子集，一個(gè)進(jìn)程可以有多個(gè)線程。從運(yùn)行環(huán)境上可以得知，進(jìn)程是獨(dú)立的運(yùn)行環(huán)境, 線程是進(jìn)程下分配的一個(gè)子任務(wù)，也就是說進(jìn)程獨(dú)占系統(tǒng)資源和內(nèi)存空間。這樣一想，如果開啟多個(gè)進(jìn)程是比較消耗系統(tǒng)資源的。進(jìn)程的創(chuàng)建和銷毀不僅需要保存寄存器和棧信息，還需要資源的分配回收以及調(diào)度，開銷較大。線程只需要保存寄存器和棧信息，開銷較小，所以這也是使用線程的優(yōu)勢(shì)。

進(jìn)程與進(jìn)程之間是互相隔離的，一個(gè)進(jìn)程出現(xiàn)問題不會(huì)影響其它進(jìn)程的運(yùn)行，而線程崩潰是有可能影響整個(gè)程序的。另外一個(gè)重要區(qū)別是，進(jìn)程是操作系統(tǒng)進(jìn)行資源分配的基本單位，而線程是操作系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度的基本單位，即CPU分配時(shí)間的單位。

上下文切換過程

這個(gè)概念非常重要，大家一定要好好去理解~

寄存器

上面提到寄存器，那么它是啥呢?它和上下文切換脫不開關(guān)系。上下文切換是指 CPU 從一個(gè)進(jìn)程(或線程)切換到另一個(gè)進(jìn)程(或線程)。上下文是指某一時(shí)間點(diǎn)CPU寄存器和程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容

寄存器是cpu內(nèi)部的少量的速度很快的閃存，通常存儲(chǔ)和訪問計(jì)算過程的中間值提高計(jì)算機(jī)程序的運(yùn)行速度。

程序計(jì)數(shù)器

程序計(jì)數(shù)器是一個(gè)專用的寄存器，用于表明指令序列中CPU,正在執(zhí)行的位置，存的值為正在執(zhí)行的指令的位置或者下一個(gè)將要被執(zhí)行的指令的位置，具體實(shí)現(xiàn)依賴于特定的系統(tǒng)。

說的有點(diǎn)抽象，給大家舉個(gè)例子。這里開啟了兩個(gè)線程A,B。那么線程A怎么切到B的呢?

• 首先A線程掛起, 并將當(dāng)前在cpu中的狀態(tài)保存到內(nèi)存中。
• 在內(nèi)存中檢索下一個(gè)線程B的上下文并將其在CPU的寄存器中恢復(fù),執(zhí)行B線程。
• 當(dāng)B執(zhí)行完，根據(jù)程序計(jì)數(shù)器中指向的位置恢復(fù)線程A。

過程分析

CPU通過為每個(gè)線程分配CPU時(shí)間片來實(shí)現(xiàn)多線程機(jī)制,CPU通過時(shí)間片分配算法來循環(huán)執(zhí)行任務(wù)，當(dāng)前任務(wù)執(zhí)行一個(gè)時(shí)間片后會(huì)切換到下一個(gè)任務(wù)。但是，在切換前會(huì)保存上一個(gè)任務(wù)的狀態(tài)，以便下次切換回這個(gè)任務(wù)時(shí)，可以再加載這個(gè)任務(wù)的狀態(tài),所以任務(wù)從保存到再加載的過程就是一次上下文切換。

??上下文切換通常是計(jì)算密集型的，意味著此操作會(huì)消耗大量的CPU時(shí)間, 如果你面試被問到Redis為什么采用單線程I/O多路復(fù)用模型，這個(gè)地方是不是可以拿出來講一講呢?

結(jié)束語

本期到這里就結(jié)束了， 總結(jié)一下，本節(jié)主要講了什么是線程，什么是進(jìn)程，以及上下文切換的概念。這些概念性的東西，大家不要去背，要自己去理解，不懂的地方可以自己再去搜索，一定要理解，然后自己多總結(jié)總結(jié)~