1. 进程与线程

1.1 进程与线程

1.1.1 进程

程序由指令和数据组成，但这些指令要运行，数据要读写，就必须将指令加载至 CPU，数据加载至内存。在指令运行过程中还需要用到磁盘、网络等设备。进程就是用来加载指令、管理内存、管理 IO 的

当一个程序被运行，从磁盘加载这个程序的代码至内存，这时就开启了一个进程。

进程就可以视为程序的一个实例。大部分程序可以同时运行多个实例进程（例如记事本、画图、浏览器等），也有的程序只能启动一个实例进程（例如网易云音乐、360 安全卫士等）

1.1.2 线程

一个进程之内可以分为一到多个线程

一个线程就是一个指令流，将指令流中的一条条指令以一定的顺序交给 CPU 执行

Java 中，线程作为最小调度单位，进程作为资源分配的最小单位。在 windows 中进程是不活动的，只是作为线程的容器

1.1.3 两者对比

进程基本上相互独立的，而线程存在于进程内，是进程的一个子集

进程拥有共享的资源，如内存空间等，供其内部的线程共享

进程间通信较为复杂

同一台计算机的进程通信称为 IPC（Inter-process communication）
不同计算机之间的进程通信，需要通过网络，并遵守共同的协议，例如 HTTP

线程通信相对简单，因为它们共享进程内的内存，一个例子是多个线程可以访问同一个共享变量

线程更轻量，线程上下文切换成本一般上要比进程上下文切换低

1.2 并行与并发

单核 cpu 下，线程实际还是串行执行的。操作系统中有一个组件叫做任务调度器，将 cpu 的时间片（windows 下时间片最小约为 15 毫秒）分给不同的程序使用，只是由于 cpu 在线程间（时间片很短）的切换非常快，人类感觉是同时运行的。总结为一句话就是：微观串行，宏观并行

一般会将这种线程轮流使用 CPU 的做法称为并发，concurrent

单核 cpu 下，多线程不能实际提高程序运行效率，只是为了能够在不同的任务之间切换，不同线程轮流使用 cpu ，不至于一个线程总占用 cpu，别的线程没法干活

多核 cpu 可以并行跑多个线程，但能否提高程序运行效率还是要分情况的

有些任务，经过精心设计，将任务拆分，并行执行，当然可以提高程序的运行效率
但不是所有计算任务都能拆分，也不是所有任务都需要拆分，任务的目的如果不同，谈拆分和效率没啥意义

IO 操作不占用 cpu，只是我们一般拷贝文件使用的是【阻塞 IO】，这时相当于线程虽然不用 cpu，但需要一直等待 IO 结束，没能充分利用线程。所以才有后面的【非阻塞 IO】和【异步 IO】优化

引用 Rob Pike 的一段描述： 并发（concurrent）是同一时间应对（dealing with）多件事情的能力 并行（parallel）是同一时间动手做（doing）多件事情的能力

家庭主妇做饭、打扫卫生、给孩子喂奶，她一个人轮流交替做这多件事，这时就是并发家庭主妇雇了个保姆，她们一起这些事，这时既有并发，也有并行（这时会产生竞争，例如锅只有一口，一个人用锅时，另一个人就得等待）雇了3个保姆，一个专做饭、一个专打扫卫生、一个专喂奶，互不干扰，这时是并行

2. Java 线程

2.1 创建和运行线程

public static void main(String[] args) {
    new Thread("t1") {
        @Override
        public void run() {
            log.info("t1 run");
        }
    }.start();
}

public static void main(String[] args) {
    Runnable runnable = new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            log.info("t2 run");
        }
    };
    new Thread(runnable, "t2").start();
}

public static void main(String[] args) throws Exception {
    FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(new Callable<Integer>() {
        @Override
        public Integer call() throws Exception {
            return 100;
        }
    });
    // 启动线程
    new Thread(futureTask, "t3").start();
    // 主线程阻塞
    Integer result = futureTask.get();
    log.info("结果是 {}", result);
}

2.2 线程上下文切换

因为以下一些原因导致 cpu 不再执行当前的线程，转而执行另一个线程的代码

线程的 cpu 时间片用完
垃圾回收
有更高优先级的线程需要运行
线程自己调用了 sleep、yield、wait、join、park、synchronized、lock 等方法

当 Context Switch 发生时，需要由操作系统保存当前线程的状态，并恢复另一个线程的状态，Java 中对应的概念就是程序计数器（Program Counter Register），它的作用是记住下一条 jvm 指令的执行地址，是线程私有的

状态包括程序计数器、虚拟机栈中每个栈帧的信息，如局部变量、操作数栈、返回地址等
Context Switch 频繁发生会影响性能
2.3 常见方法
| 方法名 | static | 功能说明 | 注意 | | —- | —- | —- | —- | | start() | | 启动一个新线程，在新的线程运行 run() 方法中的代码 | start 方法只是让线程进入就绪，代码不一定立刻运行（CPU 的时间片还没分给它）。每个线程对象的 start 方法只能调用一次，如果调用了多次会出现 IllegalThreadStateException | | run() | | 新线程启动会调用的方法 | 如果在构造 Thread 对象时传入了 Runnable 参数，则线程启动后会调用 Runnable 中的 run 方法，否则默认不执行任何操作。但可以创建 Thread 的子类对象来覆盖默认行为 | | join() | | 等待线程运行结束 | | | join(long) | | 等待线程运行结束，最多等待多少毫秒 | | | getId() | | 获取线程长整型的 id | id 唯一 | | getName() | | 获取线程名称 | | | setName(String) | | 修改线程名称 | | | getPriority() | | 获取线程优先级 | | | setPriority(int) | | 修改线程优先级 | Java 中规定线程优先级是 1~10 的整数，较大的优先级能提高该线程被 CPU 调度的频率 | | getState() | | 获取线程状态 | Java 中线程状态是用 6 个 enum 表示，分别为：NEW, RUNNABLE, BLOCKED, WAITING, TIMED_WAITING, TERMINATED | | isInterrupted() | | 判断是否被打断 | 不会清除打断标记 | | isAlive() | | 线程是否存活 | | | interrupt() | | 打断线程 | 如果被打断线程正在 sleep，wait，join 会导致被打断的线程抛出 InterruptedException，并清除打断标记
打断正在运行的线程，会设置打断标记不清除状态
打断 park 的线程，会设置打断标记不清除状态 | | interrupted() | 是 | 判断当前线程是否被打断 | 会清除打断标记 | | currentThread() | 是 | 获取正在执行的线程 | | | sleep(long) | 是 | 让当前执行的线程休眠n毫秒，休眠时让出 cpu 的时间片给其它线程 | | | yield() | 是 | 提示线程调度器让出当前线程的对 CPU 的使用 | |

2.4 start 和 run

直接调用 run 是在主线程中执行了 run，没有启动新的线程

使用 start 是启动新的线程，通过新的线程间接执行 run 中的代码

public static void main(String[] args) {
    Thread thread = new Thread("t1") {
        @Override
        public void run() {
            log.info("t1 start");
        }
    };
    // 这里是 main 线程打印日志
    thread.run();
    // 这里是 t1 新线程打印日志
    thread.start();
}

2.5 sleep 和 yield

sleep

调用 sleep 会让当前线程从 Running 进入 Timed Waiting 状态（阻塞）
其它线程可以使用 interrupt 方法打断正在睡眠的线程，这时 sleep 方法会抛出 InterruptedException
睡眠结束后的线程未必会立刻得到执行
建议用 TimeUnit 的 sleep 代替 Thread 的 sleep 来获得更好的可读性

yield

调用 yield 会让当前线程从 Running 进入 Runnable 就绪状态，然后调度执行其它线程

具体的实现依赖于操作系统的任务调度器

2.6 join

```java @Slf4j public class ThreadJoin {

static int result = 1;

public static void main(String[] args) throws Exception {

  Thread thread = new Thread(() -> result = 10, "t1");
  thread.start();
  // 确保线程运行结束, 将结果改成 10
  thread.join();
  log.info("result {}", result);

}

```java
@Slf4j
public class ThreadMultiJoin {
    static int r1 = 0;
    static int r2 = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            r1 = 10;
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            r2 = 20;
        });
        long start = System.currentTimeMillis();
        t1.start();
        t2.start();
        // 等待 t1 时, t2 仍然在运行
        t1.join();
        // 因此在等待 t2 时, 只需要在等待 1s 即可
        t2.join();
        long end = System.currentTimeMillis();
        log.debug("r1: {} r2: {} cost: {}", r1, r2, end - start);
    }
}

2.7 interrupt

打断 sleep，wait，join 的线程
这几个方法都会让线程进入阻塞状态

public static void main(String[] args) throws Exception {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            log.error(e.getMessage(), e);
        }
    }, "t1");
    t1.start();
    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
    // t1 interrupt 状态是 false
    log.info("t1 interrupt 状态是 {}", t1.isInterrupted());
    t1.interrupt();
    // t1 interrupt 状态是 true
    log.info("t1 interrupt 状态是 {}", t1.isInterrupted());
}

public static void main(String[] args) throws Exception {
    Thread t2 = new Thread(() -> {
        while (true) {
            Thread current = Thread.currentThread();
            boolean interrupted = current.isInterrupted();
            if (interrupted) {
                // 打断状态: true
                log.debug(" 打断状态: {}", interrupted);
                break;
            }
        }
    }, "t2");
    t2.start();
    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
    t2.interrupt();
}

public static void main(String[] args) throws Exception {
    Thread t3 = new Thread(() -> {
        LockSupport.park();
        // 打断状态 true
        log.info("打断状态 {}", Thread.currentThread().isInterrupted());
    }, "t1");
    t3.start();
    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
    t3.interrupt();
}

public static void main(String[] args) throws Exception {
    Thread t3 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            // 如果线程已经被打断, 这里的 park() 方法会失效，会一直循环 3 次
            LockSupport.park();
            // 打断状态 true
            log.info("打断状态 {}", Thread.currentThread().isInterrupted());
        }
    }, "t1");
    t3.start();
    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
    t3.interrupt();
}

2.8 不推荐的方法

方法名	功能说明
stop()	停止线程运行
suspend()	挂起（暂停）线程运行
resume()	恢复线程运行

2.9 主线程与守护线程

默认情况下，Java 进程需要等待所有线程都运行结束，才会结束。有一种特殊的线程叫做守护线程，只要其它非守护线程运行结束了，即使守护线程的代码没有执行完，也会强制结束

public static void main(String[] args) throws Exception {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        log.info("子线程运行开始");
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        } catch (InterruptedException e) {
            log.error(e.getMessage(), e);
        }
        log.info("子线程运行结束");
    }, "t1");
    // 设置该线程为守护线程
    t1.setDaemon(true);
    t1.start();
    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
    log.info("主线程运行完成");
}

2.10 线程状态

2.10.1 五种状态（操作系统）

【初始状态】仅是在语言层面创建了线程对象，还未与操作系统线程关联

【可运行状态】（就绪状态）指该线程已经被创建（与操作系统线程关联），可以由 CPU 调度执行

【运行状态】指获取了 CPU 时间片运行中的状态

当 CPU 时间片用完，会从【运行状态】转换至【可运行状态】，会导致线程的上下文切换

【阻塞状态】

如果调用了阻塞 API，如 BIO 读写文件，这时该线程实际不会用到 CPU，会导致线程上下文切换，进入【阻塞状态】
等 BIO 操作完毕，会由操作系统唤醒阻塞的线程，转换至【可运行状态】
与【可运行状态】的区别是，对【阻塞状态】的线程来说只要它们一直不唤醒，调度器就一直不会考虑调度它们

【终止状态】表示线程已经执行完毕，生命周期已经结束，不会再转换为其它状态

2.10.2 六种状态（Java API）

【NEW】线程刚被创建，但是还没有调用 start() 方法

【RUNNABLE】当调用了 start() 方法之后，注意，Java API 层面的 RUNNABLE 状态涵盖了操作系统层面的【可运行状态】、【运行状态】和【阻塞状态】（由于 BIO 导致的线程阻塞，在 Java 里无法区分，仍然认为是可运行）

【BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING】都是 Java API 层面对【阻塞状态】的细分

【TERMINATED】当线程代码运行

Java 基础 - 并发编程

01. 线程基础