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
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。
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
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。
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
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