并发编程（概念简述）

并发编程（概念简述）

1 进程与线程

1.1 概念

1.1.1 线程

  • 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 进程

  • 一个进程之内可以分为一到多个线程。(一个进程内包含多个线程)
  • 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

1.2 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

2 并行与并发

2.1 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

每个时间段，只能处理一个线程

image-20220813084446988

2.2 并行

前提：是在多核CPU下才存在并行

  • 下图是cpu在两个核心下，同一时间处理线程的能力。

image-20220813084635009

2.3 两者对比

  • 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
  • 举例
    • 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

3 应用

3.1 同步调用

3.1.1 测试代码

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 ....");
    }
    // 模拟读取文件
    private static void readFile(String s) {
        log.info("{}开始读取", s);
        long beginTime = System.currentTimeMillis();
        try {
            Thread.sleep(1789);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        log.info("读取时长{} s", System.currentTimeMillis() - beginTime);
    }
}

不难发现，我们的程序是同步执行的，等待读取文件的完成，再从上往下依次执行。

  • 缺点：必须要等待读取操作的完成，假设读取花费5秒，这五秒cpu什么也美干，就干等着。(浪费时间)
  • 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

image-20220813090501414

3.2 异步调用

3.2.1 测试代码

/**
 * 异步测试
 * @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 ....");
    }
    // 模拟读取文件
    private static void readFile(String s) {
        log.info("{}开始读取", s);
        long beginTime = System.currentTimeMillis();
        try {
            Thread.sleep(1789);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        log.info("读取时长{} s", System.currentTimeMillis() - beginTime);
    }
}

可以看到，我们讲读取操作放入了线程中执行，他们两也没有互相干扰，等待。分别由不同的线程去完成，大大加快的程序的效率。

image-20220813091136690

4 创建线程的三种方式

4.1 Thread

示例代码

/**
 * 使用 Thread实现
 *
 * @author : look-word
 * 2022-08-13 09:30
 **/
@Slf4j
public class CreateThread1 {
    public static void main(String[] args) {
        new Thread("线程1") { // 可以指定线程名称
            public void run() {  // 需要执行的内容
                log.info("当前线程：{} 执行...",
                        Thread.currentThread().getName());
            }
        }.start(); // 启动创建的线程

        log.info("当前线程：{} 执行...", Thread.currentThread().getName());
    }
}

4.2 Runnable

示例代码

/**
 * 使用 Ran实现
 *
 * @author : look-word
 * 2022-08-13 09:30
 **/
@Slf4j
public class CreateThread2 {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override // 要执行的任务
            public void run() {
                log.info("当前线程：{} 执行...",
                        Thread.currentThread().getName());
            }
        };
        // 创建线程  启动线程
        new Thread(runnable,"runnable").start();
        log.info("当前线程：{} 执行...", Thread.currentThread().getName());
    }
}

小结

Thread 是把线程和任务合并在了一起，Runnable 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

4.3 FutureTask

task.get(); 调用会阻塞主线程以及其他线程的运行。

/**
 * 使用 FutureTask实现
 *
 * @author : look-word
 * 2022-08-13 09:30
 **/
@Slf4j
public class CreateThread3 {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        // 创建任务对象
        FutureTask<Integer> task = new FutureTask<>(new Callable<Integer>() {
            @Override
            public Integer call() throws Exception {
                log.info("running...");
                Thread.sleep(1000);
                return 100;
            }
        });
        // 参数1 是任务对象; 参数2 是线程名字，推荐
        Thread t1 = new Thread(task, "t1");
        t1.start();
        // 主线程阻塞，同步等待 task 执行完毕的结果
        log.debug("阻塞任务结果,{}", task.get());
    }
}

5 原理之线程运行

5.1 栈与栈帧

Java Virtual Machine Stacks （Java 虚拟机栈）

我们都知道 JVM 中由堆、栈、方法区所组成，其中栈内存是给谁用的呢？其实就是线程，每个线程启动后，虚拟 机就会为其分配一块栈内存。

  • 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

学习地址 从p20集开始

5.2 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

  • 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
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