基本概念

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，就必须将指令加载到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
  • 当一个指令被运行，从磁盘加载这个程序的代码到内存，这时候就开启了一个进程
  • 进程就可以视为程序的一个实例，大部分程序都可以运行多个实例进程（例如记事本，浏览器等），部分只可以运行一个实例进程（例如360安全卫士）

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（这里感觉要学了计算机组成原理之后会更有感觉吧！）

二者对比

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

并行与并发

并发

在单核 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 。一般会将这种线程轮流使用 CPU 的做法称为并发（concurrent）

并行

多核 cpu下，每个核（core） 都可以调度运行线程，这时候线程可以是并行的，不同的线程同时使用不同的cpu在执行。

二者对比

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
  • 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
  • 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）

应用

同步和异步的概念

以调用方的角度讲，如果需要等待结果返回才能继续运行的话就是同步，如果不需要等待就是异步

1. 设计

多线程可以使方法的执行变成异步的，比如说读取磁盘文件时，假设读取操作花费了5秒，如果没有线程的调度机制，这么cpu只能等5秒，啥都不能做。

2. 结论

  • 比如在项目中，视频文件需要转换格式等操作比较费时，这时开一个新线程处理视频转换，避免阻塞主线程
  • tomcat 的异步 servlet 也是类似的目的，让用户线程处理耗时较长的操作，避免阻塞 tomcat 的工作线程
  • ui 程序中，开线程进行其他操作，避免阻塞 ui 线程

java线程

创建和运行线程

方法一，使用 Thread

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public static void main(String[] args) {
        // 匿名内部类方式创建 Thread
        Thread t = new Thread("t1") {
            @Override
            public void run() {
                log.debug("running");
            }
        };
        
        t.start();
        log.debug("running");
    }

方法二，使用 Runnable 配合 Thread（推荐）

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public static void main(String[] args) {
        // 使用 lambda 表达式，因为 Runnable 接口 
        // 标注了 @FunctionalInterface 这个注解，表示是一个函数式接口，可以使用 lambda 表达式
        Runnable r = () -> log.debug("running");
        new Thread(r, "t1").start();
    }

小结

方法1 是把线程和任务合并在了一起，方法2 是把线程和任务分开了，用 Runnable 更容易与线程池等高级 API 配合，用 Runnable 让任务类脱离了 Thread 继承体系，更灵活。通过查看源码可以发现，方法二其实到底还是通过方法一执行的！

方法三，FutureTask 配合 Thread

FutureTask 能够接收 Callable 类型的参数，用来处理有返回结果的情况 

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public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
    // 实现多线程的第三种方法可以返回数据
    FutureTask futureTask = new FutureTask<>(new Callable<Integer>() {
        @Override
        public Integer call() throws Exception {
            log.debug("多线程任务");
            Thread.sleep(100);
            return 100;
        }
    });
    // 主线程阻塞，同步等待 task 执行完毕的结果
    new Thread(futureTask,"我的名字").start();
    log.debug("主线程");
    log.debug("{}",futureTask.get());
}

Future就是对于具体的Runnable或者Callable任务的执行结果进行取消、查询是否完成、获取结果。必要时可以通过get方法获取执行结果，该方法会阻塞直到任务返回结果。

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public interface Future<V> {
    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
    boolean isCancelled();
    boolean isDone();
    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
    V get(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

Future提供了三种功能： 　　

  1. 判断任务是否完成； 　　
  2. 能够中断任务； 　　
  3. 能够获取任务执行结果。

FutureTask是Future和Runable的实现，弥补 runnable 创建线程没有返回值的缺陷

查看进程线程的方法

Windows

  • 任务管理器可以查看进程和线程数，也可以用来杀死进程
  • tasklist 查看进程
  • taskkill 杀死进程

Linux

  • ps -fe 查看所有进程
  • ps -fT -p <PID> 查看某个进程（PID）的所有线程
  • kill杀死进程
  • top 按大写 H 切换是否显示线程
  • top -H -p <PID> 查看某个进程（PID）的所有线程

Java

  • jps 命令查看所有 Java 进程
  • jstack <PID> 查看某个 Java 进程（PID）的所有线程状态
  • jconsole 来查看某个 Java 进程中线程的运行情况（图形界面）

线程运行原理

虚拟机栈与栈帧

虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧(stack frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息，是属于线程的私有的。

当java中使用多线程时，每个线程都会维护它自己的栈帧！每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的那个方法，当方法执行完会来到栈帧中的方法出口地址位置，然后从栈中 pop 出栈帧。

线程上下文切换（Thread Context Switch）

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

被动原因：

  • 线程的 cpu 时间片用完(每个线程轮流执行，看前面并行的概念)
  • 垃圾回收
  • 有更高优先级的线程需要运行

主动原因：

  • 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。

Thread 的常见方法

方法名 static 功能说明 注意
start() 启动一个新线程，在新线程中运行 run 方法中的代码 start 方法只是让线程进入就绪状态，里面代码不一定立刻运行，只有当 CPU 将时间片分给线程时，才能进入运行状态，执行代码。每个线程的 start 方法只能调用一次，调用多次就会出现 IllegalThreadStateException
run() 新线程启动会调用的方法 如果在构造 Thread 对象时传递了 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 n) 等待线程运行结束,最多等待 n 毫秒
getId() 获取线程长整型的 id id 唯一
getName() 获取线程名
setName(String) 修改线程名
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 调度的机率
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（还没有运行完毕）
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 ；如果打断的正在运行的线程，则会设置 打断标记，park 的线程被打断，也会设置 打断标记
interrupted() static 判断当前线程是否被打断 会清除打断标记
currentThread() static 获取当前正在执行的线程
sleep(long n) static 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() static 提示线程调度器让出当前线程对CPU的使用 主要是为了测试和调试

Start&Run

调用 run

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public static void main(String[] args) {
    Thread t1 = new Thread("t1") {
        @Override
        public void run() {
            log.debug(Thread.currentThread().getName());
            FileReader.read(Constants.MP4_FULL_PATH);
        }
    };
    
    t1.run();
    log.debug("do other things ...");
}

输出

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19:39:14 [main] c.TestStart - main
19:39:14 [main] c.FileReader - read [1.mp4] start ...
19:39:18 [main] c.FileReader - read [1.mp4] end ... cost: 4227 ms
19:39:18 [main] c.TestStart - do other things ...

程序仍在 main 线程运行， FileReader.read() 方法调用还是同步的.

调用 start

将上述代码的 t1.run(); 改为 t1.start();

输出

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19:41:30 [main] c.TestStart - do other things ...
19:41:30 [t1] c.TestStart - t1
19:41:30 [t1] c.FileReader - read [1.mp4] start ...
19:41:35 [t1] c.FileReader - read [1.mp4] end ... cost: 4542 ms

程序在 t1 线程运行， FileReader.read() 方法调用是异步的

小结

  • 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