Java 并发编程

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Java 多线程

1. 进程与线程

进程

  • 程序由指令和数据组成，但这些指令要运行，数据要读些，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（浏览器），也有的程序只能启动一个实例进程。

    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，线程作为最小的调度单位，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。

    二者对比

  • 进程基本上相互独立，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成为 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。

    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）分给不同的线程使用，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：微观穿行，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.

多核 cpu 下，每个核(core) 都可以调度运行线程，这时线程可以是并行的。

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；
  1. // 获取 CPU 核数
  2. Runtime.getRuntime().availableProcessors()

应用

  1. 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
  2. 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（参考后文的【阿姆达尔定律】）
  • 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
  1. 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