[Java多线程]并发基础概念

并发基础

进程与线程

进程

• 程序由指令和数据组成，指令的运行和数据的读写，必须将指令加载到CPU，数据加载到内存。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。
• 进程是资源分配的最小单位。

线程

• 一个进程内可以分为一到多个线程。
• 线程是CPU调度的基本单位。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顺序交给CPU执行。

进程和线程的对比

• 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，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)，todo 有哪些
  • 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，如HTTP
• 线程通信相对简单，因为它们共享进程内的内存，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比进程上下文切换低

协程

一个进程可以产生许多线程，每个线程有自己的上下文，当我们在使用多线程的时候，如果存在长时间的 I/O 操作，线程会一直处于阻塞状态，这个时候会存在很多线程处于空闲状态，会造成线程资源的浪费。这就是协程适用的场景。

协程，其实就是在一个线程中，有一个总调度器，对于多个任务，同时只有一个任务在执行，但是一旦该任务进入阻塞状态，就将该任务设置为挂起，运行其他任务，在运行完或者挂起其他任务的时候，再检查待运行或者挂起的任务的状态，使其继续执行。

协程的方式更多用来做阻塞密集型（比如 I/O）的操作，计算密集型的还是使用线程更加合理。

Java 官方并没有协程库。但是Java社区提供了一个优秀的库 Quasar。

并行与并发

一个CPU轮流做多件事就是并发。

多个CPU分别做多件事就是并行。

Linux 查看进程和线程状态

• 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> 查看某个进程的所有线程

Java命令

• jps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查看某个Java进程中线程的运行情况(图形界面)

栈与栈帧(Frames)

• 每个栈由多个栈帧(Frame)组成，对应这个每次方法调用锁占用的内存
• 每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行得方法

如上图所示，程序进入main方法，生成main栈帧，main方法调用method1，生成method1栈帧，右侧局部变量表，分配了 x，y的内存，同理后面又调用了method2，生成了method2栈帧。当method2执行完，method2栈帧内存释放，以此类推，根据调用栈依次释放栈帧内存。
对应的内存分布图如下：

• 局部变量是线程安全的，根据这个思路实现的线程安全技术叫线程封闭，即仅在单线程内访问数据

如数据库连接池，数据库连接池通过线程封闭技术，保证一个 Connection 一旦被一个线程获取之后，在这个线程关闭 Connection 之前的这段时间里，不会再分配给其他线程，从而保证了 Connection 不会有并发问题

线程上下文切换(Thread Context Switch)

CPU不再执行当前线程，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执行
• 线程自己调用了sleep,yield,wait,join,park,synchronized,lock等方法，主动放弃线程自己对CPU的使用权

当Context Switch发生时，需要操作系统来执行保存当前线程的状态，并恢复另一个线程的状态，JVM中对应的就是程序计数器(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

• 线程的状态包含程序计数器，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