Java 并發編程：理解進程和線程
最早的計算機只有每次用戶給出指令，計算機就執行一次，沒有指令時就會停止運行。很多時候，計算機就這樣閑置著。
批處理操作系統
后來，批處理操作系統出現了，它能夠一次接受一系列指令，然后按順序執行。用戶可以將想要執行的程序寫在磁帶上，然后讓計算機讀取并執行，將輸出結果寫在另一盤磁帶上。
批處理操作系統在一定程度上提高了計算機的效率，但由于批處理操作系統的指令執行模式仍然是串行的，內存中始終只有一個程序在運行，后續程序需要等待前一個程序執行完成后才能開始執行。而前一個程序有時會因 I/O 操作、網絡等原因阻塞，所以批處理操作效率并不高。
進程
隨著技術的發展，人們對計算機性能的要求越來越高，現有的批處理操作系統已無法滿足人們的需求。批處理操作系統的瓶頸在于內存中只有一個程序，那么內存中能否有多個程序呢？顯然這是可以的。于是就提出了進程的概念。
進程是應用程序在內存中分配的空間，即正在運行的程序。例如，運行一個 Java 程序的本質就是啟動一個 Java 虛擬機進程，這意味著一個正在運行的 Java 程序就是一個 Java 虛擬機進程。
例如，以下是一個簡單的 Java 程序：
public class SimpleJavaApp {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("Hello world!");
}
}操作系統可以同時運行多個進程，如 chrome、QQ 等，它們互不干擾。同時，進程會保存程序在每個時刻的運行狀態。
此時，CPU 使用時間片輪轉調度算法來運行進程：CPU 為每個進程分配一個時間段，稱為時間片。如果時間片結束時進程仍在運行，則將該進程掛起，并將 CPU 分配給另一個進程（這個過程稱為上下文切換）。如果進程在時間片結束前阻塞或完成，則 CPU 立即切換，無需等待時間片用完。
當一個進程被掛起時，它會保存當前進程的狀態（進程標識、進程使用的資源等）。下次切換回來時，會根據之前保存的狀態進行恢復并繼續執行。
使用進程和時間片輪轉調度算法的操作系統在宏觀層面上似乎在同一時間段內運行多個進程；雖然并發在宏觀層面上看起來有多個任務在執行，但實際上，對于單核 CPU，在任何特定時刻只有一個任務占用 CPU 資源。
并發與并行
剛剛提到了并發，這里簡要解釋一下并發與并行的區別。
并行：在同一時刻，多個任務在多個 CPU 上同時執行。
并發：在同一時刻，多個任務在單個 CPU 上交替執行。
線程
雖然進程的出現大大提高了操作系統的性能，但隨著時間的推移，人們不滿于一個進程一次只能做一件事。如果一個進程有多個子任務，這些子任務只能一個接一個地執行，這極大地影響了效率。
例如，當你使用瀏覽器瀏在下載文件時不能繼續瀏覽其他網頁，這顯然無法滿足人們的需求。
這些子任務能否同時執行呢？因此，人們提出了線程的概念，讓一個線程執行一個子任務。這樣一個進程就可以包含多個線程，每個線程負責一個單獨的子任務。
例如，在以下用 Java 實現的多線程代碼中，在主線程中開啟了兩個線程，分別負責兩個任務，一個打印“Hello world”，一個打印“Hello java”。
class SayHelloThread extends Thread {
public void run() {
System.out.println("Hello");
}
}
class SayJavaThread extends Thread {
public void run() {
System.out.println("Java");
}
}
public class MultiThreadJavaApp {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
SayHelloThread sayHelloThread = new SayHelloThread();
SayJavaThread sayJavaThread = new SayJavaThread();
sayHelloThread.start();
sayJavaThread.start();
// 主線程睡眠
Thread.sleep(5000);
}
}輸出：
Hello
Java上述輸出結果并不總是相同，因為sayHelloThread并不總是先獲得執行機會。
在使用線程后，下載文件時，讓負責下載功能的線程執行下載。用戶瀏覽網頁時，執行負責瀏覽網頁功能的線程。然后，通過時間片輪轉，用戶可以感覺到兩個功能同時在運行。
進程與線程的區別
進程和線程的引入極大地提高了操作系統的性能，那么它們之間有什么區別呢？
- 資源占用：進程是操作系統分配資源的基本單位，它包含程序執行的一個實例，包括代碼、數據和系統資源（如內存、文件、設備等）。每個進程都有獨立的內存空間和系統資源，互不干擾。線程是操作系統調度的基本單位，即 CPU 分配時間的單位。多個線程共享同一進程的內存空間和系統資源。
- 數據交換：進程獨立執行，有自己的地址空間和系統資源，通過進程間通信（IPC）進行數據交換。線程是進程內的一條執行路徑。同一進程中的多個線程共享內存空間和系統資源，所以線程之間的數據交換更簡單、快速。
- 開銷：由于進程有獨立的內存空間和系統資源，創建和銷毀進程的開銷相對較大，需要保存和恢復更多的上下文信息。線程共享進程的內存空間和系統資源，所以創建和銷毀線程的開銷較小，只需要保存和恢復少量上下文信息。
- 并發：進程是獨立的執行單元，有自己的調度算法，在并發條件下更穩定可靠。由于線程共享進程資源，線程之間的調度和同步更復雜，需要更多注意處理并發條件。這也是我們后續文章將重點關注的問題。
基于上述差異，我們可以看到，對于一個進程內的多個任務實現并發，最好的方法是使用多個線程而不是多個進程，但需要特別注意并發邏輯的處理。
上下文切換
上下文切換（有時也稱為進程切換或任務切換）是指 CPU 從一個進程（或線程）切換到另一個進程（或線程）。上下文是指在某個時間點 CPU 寄存器和程序計數器的內容。
其中，寄存器是 CPU 內部少量的訪問速度很快的存儲，通常用于存儲和訪問計算過程中的中間值，以提高計算機程序的運行速度。
程序計數器是一個專用寄存器，用于指示 CPU 當前正在執行的指令序列中的位置，存儲的值是正在執行的指令的位置或下一條要執行的指令的位置，具體實現取決于特定系統。
CPU 通過為每個線程分配 CPU 時間片并通過時間片輪轉調度算法執行任務來實現多線程機制。當一個任務執行完一個時間片時，它將切換到下一個任務，在切換之前，會保存前一個任務的狀態，以便下次切換回該任務時可以重新加載該任務的狀態。因此，從保存到重新加載一個任務的過程就是一次上下文切換。
例如，現在線程 A 的時間片已執行完，需要切換到線程 B，需要以下三個步驟：
- 先掛起線程 A，并將其狀態從 CPU 保存到內存中。
- 在內存中，獲取下一個線程 B 的上下文，并將其恢復到 CPU 的寄存器中以執行線程 B。
- 當線程 B 執行完畢，根據程序計數器指向的位置恢復線程 A。
上下文切換通常計算密集，這意味著此操作會消耗大量 CPU 時間，所以線程不是越多越好。如何減少系統中的上下文切換次數是提高多線程性能的關鍵問題。我們將在未來的文章中討論這個問題。
