關于線程的知識，你知道多少？
一、摘要
在很多場景下，我們經常聽到采用多線程編程，能顯著的提升程序的執行效率。例如執行大批量數據的插入操作，采用單線程編程進行插入可能需要 30 分鐘，采用多線程編程進行插入可能只需要 5 分鐘就夠了。
既然多線程編程技術如此厲害，那什么是多線程呢？
在介紹多線程之前，我們還得先講講進程和線程的概念。
二、進程和線程
2.1、什么是進程？
從計算機角度來講，進程是操作系統中的基本執行單元，也是操作系統進行資源分配和調度的基本單位，并且進程之間相互獨立，互不干擾。
例如，我們windows電腦中的 Chrome 瀏覽器是一個進程、WeChat 也是一個進程，正在操作系統中運行的.exe都可以理解為一個進程。
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2.2、什么是線程？
關于線程，比較官方的定義是，線程是進程中的?個執?單元，也是操作系統能夠進行運算調度的最小單位，負責當前進程中程序的執?。同時?個進程中?少有?個線程，?個進程中也可以有多個線程，它們共享這個進程的資源，擁有多個線程的程序，我們也稱為多線程編程。
舉個例子，Chrome 瀏覽器和 WeChat 是兩個進程，Chrome 瀏覽器進程里面有很多線程，例如 HTTP 請求線程、事件響應線程、渲染線程等等，線程的并發執行使得在瀏覽器中點擊一個新鏈接從而發起 HTTP 請求時，瀏覽器還可以響應用戶的其它事件。
2.3、進程和線程的關系
關于進程和線程，可能上面的解釋過于抽象，還是很難理解，下面是一段出自阮一峰老師博客文章的介紹，可能描述不是非常嚴謹，但是足夠形象，有助于我們對它們關系的理解。
1.我們都知道，計算機的核心是 CPU，它承擔了所有的計算任務。它就像一座工廠，時刻在運行；（CPU 類似于工廠）
2.假定工廠的電力有限，一次只能供給一個車間使用。也就是說，一個車間開工的時候，其他車間都必須停工。背后的含義就是，單個 CPU 一次只能運行一個任務；
3.進程就好比工廠的車間，它代表 CPU 所能處理的單個任務。任一時刻，CPU 總是運行一個進程，其他進程處于非運行狀態；（進程類似于車間）
4.一個車間里，可以有很多工人。他們協同完成一個任務；
5.線程就好比車間里的工人。一個進程可以包括多個線程；（線程類似于工人）
6.車間的空間是工人們共享的，比如許多房間是每個工人都可以進出的。這象征一個進程的內存空間是共享的，每個線程都可以使用這些共享內存；（每個線程共享進程下的內存資源）
7.一個防止他人進入的簡單方法，就是門口加一把鎖。先到的人鎖上門，后到的人看到上鎖，就在門口排隊，等鎖打開再進去。這就叫"互斥鎖"（Mutual exclusion，縮寫 Mutex），防止多個線程同時讀寫某一塊內存區域；（多個線程下可以通過互斥鎖，實現資源獨占）
8.還有些房間，可以同時容納 n 個人，比如廚房。也就是說，如果人數大于 n，多出來的人只能在外面等著。這好比某些內存區域，只能供給固定數目的線程使用；
9.這時的解決方法，就是在門口掛 n 把鑰匙。進去的人就取一把鑰匙，出來時再把鑰匙掛回原處。后到的人發現鑰匙架空了，就知道必須在門口排隊等著了。這種做法叫做 "信號量"（Semaphore），用來保證多個線程不會互相沖突。（多個線程下可以通過信號量，實現互不沖突）
不難看出，互斥鎖 Mutex 是信號量 semaphore 的一種特殊情況（n = 1時）。也就是說，完全可以用后者替代前者。但是，因為 Mutex 較為簡單，且效率高，所以在必須保證資源獨占的情況下，還是采用這種方式。
2.4、為什么要引入線程？
早期的操作系統都是以進程作為獨立運行的基本單位的，直到后期計算機科學家們又提出了更小的能獨立運行的基本單位，也就是線程。
那為什么要引入線程呢？我們只需要記住這句話：線程又稱為迷你進程，但是它比進程更容易創建，也更容易撤銷。
引入線程之后，可以將復雜的操作進一步分解，讓程序的執行效率進一步提升。
舉個例子，進程就如同一個隨時背著糧草和機槍的士兵，這樣肯定會造成士兵的執行戰斗的速度。因此，一個簡單想法就是：分配兩個人來執行，一個士兵負責隨時背著糧草，另一個士兵負責抗機槍戰斗，這樣執行戰斗的速度會大幅提升。這些輕裝上陣的士兵，可以理解為我們上文提到的線程！
從計算機角度來說，由于創建或撤銷進程時，系統都要為之分配或回收資源，如內存空間、I/O 設備等，需要較大的時間和空間開銷。
為了減少進程切換的開銷，把進程作為資源分配單位和調度單位這兩個屬性分開處理，即進程還是作為資源分配的基本單位，但是把調度執行與切換的責任交給線程，即線程成為獨立調度的基本單位，它比進程更容易（更快）創建，也更容易撤銷。
一句話總結就是：引入線程前，進程是資源分配和獨立調度的基本單位。引入線程后，進程是資源分配的基本單位，線程是獨立調度的基本單位，線程也是進程中的?個執?單元。
三、創建線程的方式
在 Java 里面，創建線程有以下兩種方式：
- 繼承java.lang.Thread類，重寫run()方法
- 實現java.lang.Runnable接口，然后通過一個java.lang.Thread類來啟動
不管是哪種方式，所有的線程對象都必須是Thread類或其?類的實例，每個線程的作?是完成?定的任務，實際上就是執??段程序流，即?段順序執?的代碼，任務執行完畢之后就結束了。
在 Java 中，通過Thread類來創建并啟動線程的步驟如下：
- 1.定義Thread類的?類，并重寫該類的run()方法
- 2.通過Thread子類，初始化線程對象
- 3.通過線程對象，調用start()方法啟動線程
下面我們具體來看看創建線程的代碼實踐。
3.1、繼承 Thread 類，重寫 run 方法介紹
/**
* 創建一個 Thread 子類
*/
public class Thread0 extends Thread {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
String time = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss:SSS").format(new Date());
System.out.println(time + " 當前線程：" + Thread.currentThread().getName() + "，正在運行");
}
}
}/**
* 創建一個測試類
*/
public class ThreadTest0 {
public static void main(String[] args) {
// 初始化一個線程對象，然后啟動線程
Thread0 thread0 = new Thread0();
thread0.start();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
String time = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss:SSS").format(new Date());
System.out.println(time + " 當前線程：" + Thread.currentThread().getName() + "，正在運行");
}
}
}輸出結果：
2023-08-23 17:58:03:726 當前線程：Thread-0，正在運行
2023-08-23 17:58:03:727 當前線程：Thread-0，正在運行
2023-08-23 17:58:03:726 當前線程：main，正在運行
2023-08-23 17:58:03:727 當前線程：Thread-0，正在運行
2023-08-23 17:58:03:727 當前線程：main，正在運行
2023-08-23 17:58:03:728 當前線程：Thread-0，正在運行
2023-08-23 17:58:03:728 當前線程：main，正在運行
2023-08-23 17:58:03:728 當前線程：Thread-0，正在運行
2023-08-23 17:58:03:728 當前線程：main，正在運行
2023-08-23 17:58:03:728 當前線程：main，正在運行從執行時間上可以看到，main線程和Thread-0線程交替運行，效果十分明顯！
所謂的多線程，其實就是兩個及以上線程的代碼可以同時運行，而不必一個線程需要等待另一個線程內的代碼執行完才可以運行。
對于單核 CPU 來說，是無法做到真正的多線程的；但是對于多核 CPU 來說，在一段時間內，可以執行多個任務的，由于 CPU 執行代碼時間很快，所以兩個線程的代碼交替執行看起來像是同時執行的一樣，具體執行某段代碼多少時間，就和分時機制系統有關了。
分時機制系統，簡單的說，就是將 CPU 時間劃分為多個時間片，操作系統以時間片為單位來執行各個線程的代碼，越好的 CPU 分出的時間片越小。
例如某個時段， CPU 將 1 秒劃分成 50 個時間片，1 個時間片耗時 20 ms，每個時間片均進行線程切換，也就是說 1 秒可以執行 50 個任務，給人的感覺好像計算機能同時處理多件事情，其實是 CPU 執行任務速度太快給人產生的錯覺感。
3.2、實現 Runnable 接口，然后通過 Thread 類來啟動介紹
/**
* 實現 Runnable 接口
*/
public class Thread2 implements Runnable{
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
String time = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss:SSS").format(new Date());
System.out.println(time + " 當前線程：" + Thread.currentThread().getName() + "，正在運行");
}
}
}/**
* 創建一個測試類
*/
public class ThreadTest2 {
public static void main(String[] args) {
// 通過一個Thread來啟動線程
Thread thread2 = new Thread(new Thread2());
thread2.start();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
String time = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss:SSS").format(new Date());
System.out.println(time + " 當前線程：" + Thread.currentThread().getName() + "，正在運行");
}
}
}輸出結果：
2023-08-23 18:30:28:664 當前線程：Thread-0，正在運行
2023-08-23 18:30:28:666 當前線程：Thread-0，正在運行
2023-08-23 18:30:28:666 當前線程：Thread-0，正在運行
2023-08-23 18:30:28:664 當前線程：main，正在運行
2023-08-23 18:30:28:666 當前線程：Thread-0，正在運行
2023-08-23 18:30:28:667 當前線程：Thread-0，正在運行
2023-08-23 18:30:28:668 當前線程：main，正在運行
2023-08-23 18:30:28:668 當前線程：main，正在運行
2023-08-23 18:30:28:668 當前線程：main，正在運行
2023-08-23 18:30:28:668 當前線程：main，正在運行效果跟上面介紹的一樣，如果循環的打印次數越多，效果越明顯！
四、線程狀態
下圖是一張從操作系統角度劃分的線程模型狀態！
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線程被分為五種狀態，各個狀態說明如下：
- 1.新建狀態：表示創建了一個新的線程對象，例如Thread thread = new Thread()
- 2.就緒狀態：比如調用線程的start()方法，就會處于就緒狀態，也被稱為可執行狀態，隨時可能被 CPU 調度執行
- 3.運行狀態：獲得了 CPU 時間片，執行程序代碼。需要注意的是，線程只能從就緒狀態進入到運行狀態
- 4.阻塞狀態：因為某種原因出現了阻塞，線程放棄對 CPU 的使用權，停止執行，直到阻塞事件結束，重新進入就緒狀態才有可能再次被 CPU 調度。
- 5.結束狀態：線程里面的方法正常執行結束或者因為某種異常退出了，則該線程結束生命周期
針對操作系統的線程模型，Java 進行部分封裝和擴充，JVM 中的線程狀態總共有六種，它們之間的關系，可以用如下圖來表示：
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各個狀態說明如下：
1.新建狀態（NEW）：新創建了一個線程對象
2.運行狀態（RUNNABLE）：Java 線程中將就緒狀態和運行中兩種狀態，籠統的稱為“運行”。線程對象創建后，調用了該對象的start()方法，該線程處于就緒狀態，獲得 CPU 時間片后變為運行中狀態
3.阻塞狀態（BLOCKED）：因為某種原因，線程放棄對 CPU 的使用權，停止執行，直到進入就緒狀態才有可能再次被 CPU 調度。比如線程在獲得synchronized同步鎖失敗后，會把線程放入鎖池中，線程進入同步阻塞狀態。
4.等待狀態（WAITING）：處于這種狀態的線程不會被分配 CPU 執行時間，它們要等待被顯式地喚醒，否則會處于無限期等待的狀態。比如運行狀態的線程執行wait方法，會把線程放在等待隊列中，直到被喚醒或者因異常自動退出
5.超時等待狀態（TIMED_WAITING）：處于這種狀態的線程不會被分配 CPU 執行時間，不過無須無限期等待被其他線程顯式地喚醒，在到達一定時間后它們會自動喚醒。比如運行狀態的線程執行Thread.sleep(1000)方法，當到達目標時間后，會自動喚醒或者因異常自動退出
6.終止狀態（TERMINATED）：表示該線程已經執行完畢，處于終止狀態的線程不具備繼續運行的能力
五、小結
本文主要圍繞進程和線程的一些基礎知識，進行簡單的入門知識總結。
線程的特征和進程差不多，進程有的它基本都有。
相對于進程而言，線程更加的輕量化，主要承擔任務的執行工作，優點如下：
- 一個進程中可以同時擁有多個線程，這些線程共享該進程的資源。我們知道進程間的通信必須請求操作系統服務（因為 CPU 要切換到內核態），開銷很大。而同進程下的線程間通信，無需操作系統干預，開銷更小
- 線程間可以并發執行任務，線程間的并發比進程的開銷更小，系統并發性更好
- 在多 CPU 環境下，各個線程也可以分派到不同的 CPU 上并行執行
- 通過多線程編程，可以顯著的提升程序任務的執行效率
不過線程也有缺點：
- 當程序編程不合理，多個線程發生較長時間的等待或資源競爭時，可能會出現死鎖
- 等候使用共享資源時可能會造成程序的運行速度變慢。這些共享資源主要是獨占性的資源，如打印機、IO 設備等
總的來說，進程和線程各有各優勢，站在操作系統的設計角度而言，可以歸結為以下幾點：
- 采用多進程方式，可以保證多個任務同時運行；
- 采用多線程方式，可以將單個任務分成不同的部分進行執行；
- 提供協調機制，防止進程之間和線程之間產生沖突，同時允許進程之間和線程之間共享資源，以充分的利用系統資源
