並發編程（概念簡述）

並發編程（概念簡述）

1 進程與執行緒

1.1 概念

1.1.1 執行緒

  • 程式由指令和數據組成，但這些指令要運行，數據要讀寫，就必須將指令載入至 CPU，數據載入至記憶體。在 指令運行過程中還需要用到磁碟、網路等設備。進程就是用來載入指令、管理記憶體、管理 IO 的
  • 當一個程式被運行，從磁碟載入這個程式的程式碼至記憶體，這時就開啟了一個進程。
  • 進程就可以視為程式的一個實例。大部分程式可以同時運行多個實例進程（例如記事本、畫圖、瀏覽器 等），也有的程式只能啟動一個實例進程（例如網易雲音樂、360 安全衛士等）

1.1.2 進程

  • 一個進程之內可以分為一到多個執行緒。(一個進程內包含多個執行緒)
  • 一個執行緒就是一個指令流，將指令流中的一條條指令以一定的順序交給 CPU 執行
  • Java 中，執行緒作為最小調度單位，進程作為資源分配的最小單位。 在 windows 中進程是不活動的，只是作 為執行緒的容器

1.2 二者對比

  • 進程基本上相互獨立的，而執行緒存在於進程內，是進程的一個子集
  • 進程擁有共享的資源，如記憶體空間等，供其內部的執行緒共享
  • 進程間通訊較為複雜
    • 同一台電腦的進程通訊稱為 IPC（Inter-process communication）
    • 不同電腦之間的進程通訊，需要通過網路，並遵守共同的協議，例如 HTTP
  • 執行緒通訊相對簡單，因為它們共享進程內的記憶體，一個例子是多個執行緒可以訪問同一個共享變數
  • 執行緒更輕量，執行緒上下文切換成本一般上要比進程上下文切換低

2 並行與並發

2.1 並發

單核 cpu 下，執行緒實際還是串列執行的。作業系統中有一個組件叫做任務調度器，將 cpu 的時間片（windows 下時間片最小約為 15 毫秒）分給不同的程式使用，只是由於 cpu 在執行緒間（時間片很短）的切換非常快，人類感覺是同時運行的 。總結為一句話就是： 微觀串列，宏觀並行 ， 一般會將這種 執行緒輪流使用 CPU 的做法稱為並發：concurrent

每個時間段，只能處理一個執行緒

image-20220813084446988

2.2 並行

前提：是在多核CPU下才存在並行

  • 下圖是cpu在兩個核心下，同一時間處理執行緒的能力。

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2.3 兩者對比

  • 並發（concurrent）是同一時間應對（dealing with）多件事情的能力
  • 並行（parallel）是同一時間動手做（doing）多件事情的能力
  • 舉例
    • 家庭主婦做飯、打掃衛生、給孩子餵奶，她一個人輪流交替做這多件事，這時就是並發
    • 家庭主婦雇了個保姆，她們一起這些事，這時既有並發，也有並行（這時會產生競爭，例如鍋只有一口，一 個人用鍋時，另一個人就得等待）
    • 雇了3個保姆，一個專做飯、一個專打掃衛生、一個專餵奶，互不干擾，這時是並行

3 應用

3.1 同步調用

3.1.1 測試程式碼

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

/**
 * @author : look-word
 * 2022-08-13 08:58
 **/
@Slf4j
public class SynchronousTest {
    public static void main(String[] args) {
        readFile("xxx.text");
        log.debug("do other things ....");
    }
    // 模擬讀取文件
    private static void readFile(String s) {
        log.info("{}開始讀取", s);
        long beginTime = System.currentTimeMillis();
        try {
            Thread.sleep(1789);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        log.info("讀取時長{} s", System.currentTimeMillis() - beginTime);
    }
}

不難發現，我們的程式是同步執行的，等待讀取文件的完成，再從上往下依次執行。

  • 缺點：必須要等待讀取操作的完成，假設讀取花費5秒，這五秒cpu什麼也美干，就乾等著。(浪費時間)
  • 結論
    • 比如在項目中，影片文件需要轉換格式等操作比較費時，這時開一個新執行緒處理影片轉換，避免阻塞主執行緒
    • tomcat 的非同步 servlet 也是類似的目的，讓用戶執行緒處理耗時較長的操作，避免阻塞 tomcat 的工作執行緒
    • ui 程式中，開執行緒進行其他操作，避免阻塞 ui 執行緒

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3.2 非同步調用

3.2.1 測試程式碼

/**
 * 非同步測試
 * @author : look-word
 * 2022-08-13 08:58
 **/
@Slf4j
public class AsynchronousTest {
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() ->{readFile("xxx.text");}).start();
        log.debug("do other things ....");
    }
    // 模擬讀取文件
    private static void readFile(String s) {
        log.info("{}開始讀取", s);
        long beginTime = System.currentTimeMillis();
        try {
            Thread.sleep(1789);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        log.info("讀取時長{} s", System.currentTimeMillis() - beginTime);
    }
}

可以看到，我們講讀取操作放入了執行緒中執行，他們兩也沒有互相干擾，等待。分別由不同的執行緒去完成，大大加快的程式的效率。

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4 創建執行緒的三種方式

4.1 Thread

示例程式碼

/**
 * 使用 Thread實現
 *
 * @author : look-word
 * 2022-08-13 09:30
 **/
@Slf4j
public class CreateThread1 {
    public static void main(String[] args) {
        new Thread("執行緒1") { // 可以指定執行緒名稱
            public void run() {  // 需要執行的內容
                log.info("當前執行緒：{} 執行...",
                        Thread.currentThread().getName());
            }
        }.start(); // 啟動創建的執行緒

        log.info("當前執行緒：{} 執行...", Thread.currentThread().getName());
    }
}

4.2 Runnable

示例程式碼

/**
 * 使用 Ran實現
 *
 * @author : look-word
 * 2022-08-13 09:30
 **/
@Slf4j
public class CreateThread2 {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override // 要執行的任務
            public void run() {
                log.info("當前執行緒：{} 執行...",
                        Thread.currentThread().getName());
            }
        };
        // 創建執行緒  啟動執行緒
        new Thread(runnable,"runnable").start();
        log.info("當前執行緒：{} 執行...", Thread.currentThread().getName());
    }
}

小結

Thread 是把執行緒和任務合併在了一起，Runnable 是把執行緒和任務分開了

  • 用 Runnable 更容易與執行緒池等高級 API 配合
  • 用 Runnable 讓任務類脫離了 Thread 繼承體系，更靈活

4.3 FutureTask

task.get(); 調用會阻塞主執行緒以及其他執行緒的運行。

/**
 * 使用 FutureTask實現
 *
 * @author : look-word
 * 2022-08-13 09:30
 **/
@Slf4j
public class CreateThread3 {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        // 創建任務對象
        FutureTask<Integer> task = new FutureTask<>(new Callable<Integer>() {
            @Override
            public Integer call() throws Exception {
                log.info("running...");
                Thread.sleep(1000);
                return 100;
            }
        });
        // 參數1 是任務對象; 參數2 是執行緒名字，推薦
        Thread t1 = new Thread(task, "t1");
        t1.start();
        // 主執行緒阻塞，同步等待 task 執行完畢的結果
        log.debug("阻塞任務結果,{}", task.get());
    }
}

5 原理之執行緒運行

5.1 棧與棧幀

Java Virtual Machine Stacks （Java 虛擬機棧）

我們都知道 JVM 中由堆、棧、方法區所組成，其中棧記憶體是給誰用的呢？其實就是執行緒，每個執行緒啟動後，虛擬 機就會為其分配一塊棧記憶體。

  • 每個棧由多個棧幀（Frame）組成，對應著每次方法調用時所佔用的記憶體
  • 每個執行緒只能有一個活動棧幀，對應著當前正在執行的那個方法

學習地址 從p20集開始

5.2 執行緒上下文切換 （Thread Context Switch）

因為以下一些原因導致 cpu 不再執行當前的執行緒，轉而執行另一個執行緒的程式碼

  • 執行緒的 cpu 時間片用完 垃圾回收

  • 有更高優先順序的執行緒需要運行

  • 執行緒自己調用了 sleep、yield、wait、join、park、synchronized、lock 等方法

當 Context Switch 發生時，需要由作業系統保存當前執行緒的狀態，並恢復另一個執行緒的狀態，Java 中對應的概念 就是程式計數器（Program Counter Register），它的作用是記住下一條 jvm 指令的執行地址，是執行緒私有的

  • 狀態包括程式計數器、虛擬機棧中每個棧幀的資訊，如局部變數、操作數棧、返回地址等
  • Context Switch 頻繁發生會影響性能
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