进程与线程

进程

  • 程序由指令和数据组成，但是这些指令要运行，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；
  • 当一个程序被执行，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；
  • 进程还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。

线程

  • 一个进程内可以有N个线程；
  • 一个线程就是一个指令流，将指令流中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。

进程与线程对比

  • 线程存在于进程内，是进程的子集；
  • 进程拥有共享的资源，如内存空间，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；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）
  • 线程通信相对简单，因为他们共享进程内的内存，例子：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要比进程上下文切换低。

为什么使用多线程

  • 提升操作系统CPU的利用率
  • 更快更高效的响应用户

    守护线程

    在Java中有两类线程：User Thread(用户线程)、Daemon Thread(守护线程)

只要当前JVM实例中尚存在任何一个非守护线程没有结束，守护线程就全部工作；
只有当最后一个非守护线程结束时，守护线程随着JVM一同结束工作。

Daemon的作用是为其他线程的运行提供便利服务，守护线程最典型的应用就是 GC (垃圾回收器)，它就是一个很称职的守护者。

线程分为内核态、用户态

  • 内核态：CPU可以访问内存所有数据,，包括外围设备，例如硬盘,、网卡、 CPU也可以将自己从一个程序切换到另一个程序；
  • 用户态：只能受限的访问内存, 且不允许访问外围设备。占用CPU的能力被剥夺，CPU资源可以被其他程序获取；
    • 管理开销小：创建、销毁不需要系统调用
    • 切换成本低：用户空间程序可以自己维护，不需要走操作系统调度。

synchronized 是 JVM 层面上的锁的实现，可以解决可见性、顺序性和原子性。

查看进程线程的方法

Windows

  • 查看进程：tasklist

  • 杀死进程：taskkill /T /F /PID <PID>，/T 表示终止指定的进程和由它启用的子进程，/F 表示强制执行

    Linux

  • 查看所有进程：ps -ef

  • 查看某个进程：ps -fT -p
  • 杀死进程：kill -9
  • 按大写H切换时候显示线程：top

  • 查看某个进程的所有线程：top -H -p

    Java

  • 查看所有 java 进程：jps

  • 查看某个 Java 进程 的所有线程状态：jstack
  • 来查看某个 Java 进程中线程的运行情况（图形化界面）：jconsole

    并行与并发概念

    并发：是同一时间应对多件事情的能力； 并行：是同一时间动手做多件事情的能力；

同步与异步

同步：需要等待结果返回，才能继续运行； 异步：不需要等待结果的返回，就能继续运行；

注意：同步在多线程中还有另一层意思，是让多线程步调一致。

线程运行原理

栈与栈针

Java Virtual Machine Statcks （Java 虚拟机栈） 堆栈（stack）按照FILO（First In Last Out，后进先出）的原则存储数据。

JVM 是有堆、栈、方法区等组成，其中栈内存是在每个线程启动后，虚拟机在栈内存中分配一块栈内存；

  • 每个栈由多个栈帧（Frame）组成，对应着每次方法调用时所占用的内存；
  • 每一个线程只有一个活动栈帧，对应着正在执行的那个方法；

线程的上下文切换

由于以下原因导致 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 时间片用完了
  • 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等方法程序；

当 Context Switch 发生时，需要由操作系统保存当前的线程状态，并恢复另一个线程的状态，Java 中对应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、返回方法等；
  • Context Switch 频繁发生会影响性能；

CPU与缓存行

因为CPU与内存的速度差异很大，需要靠预读数据至缓存来提升效率。 而缓存以缓存行为单位，每个缓存对应着一块内存，一般是 64byte； 缓存的加入会造成数据副本的产生，即同一份数据会缓存在不同核心的缓存行中，CPU要保证数据的一致性，如果某个CPU核心更改了数据，其他CPU核心对应的整个缓存行必须失效。

并发解决思路

  1. 共享模型
  2. 非共享模型

synchronized 实际上是利用对象所保证了临界区代码的原则性，保证临界区代码对外是不可分割的，不会被线程切换所打断；
**

  1. // synchronized 锁普通方法，相当于锁住的是this对象
  2. public synchronized void methodA(){
  3.     // 方法体
  4. }
  5. // 锁住的是this对象
  6. public  void methodAA(){
  7.     synchronized (this){
  8.         // 方法体
  9.     }
  10. }
  13. // synchronized 锁静态方法，相当于锁住的是类对象
  14. public synchronized static void methodA(){
  15.     // 方法体
  16. }
  17. // 锁住的是类对象
  18. public static void methodAA(){
  19.     synchronized (Application.class){
  20.         // 方法体
  21.     }
  22. }

变量的线程安全分析

成员变量和静态变量是否线程安全？

  • 如果他们没有共享，则线程安全
  • 如果他们被共享了，根据他们的状态是否能够被改变
  1. 如果只读，则线程安全
  2. 如果有读写，则这段代码是临界区，需要考虑线程安全

    局部变量是否线程安全

  • 局部变量是线程安全的
  • 但是局部变量引用的对象则未必：
  1. 如果该对象没有逃离方法的作用访问，则线程安全；

  2. 如果该对象逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全；

    常见的线程安全的类

  3. String

  4. Integer
  5. StringBuffer
  6. Random
  7. Vector
  8. Hashtable
  9. java.util.concurrent 包下的类

    共享模型

    共享问题
    synchronized
    线程安全分析
    Monitor
    wait/notify
    线程状态转换
    活跃性
    lock

    共享模型之不可变类

  • 不可变类的使用
  • 不可变类的设计
  • 无状态类的设计

    两种加锁方式

  1. JVM层面上 synchronized 的关键字
  2. API 层面上 lock 锁、J.U.C