【多线程系列】并发编程的理论基石
本帖最后由 尾叶 于 2020-12-4 17:41 编辑#### 其他 Java 系列相关文章详见论坛其他帖子
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# 一、进程和线程
## 1.操作系统、进程、线程的关系
操作系统是包含多个进程的容器，而每个进程又是容纳多个线程的容器。
## 2.Oracle 官方定义
[官方定义](https://docs.oracle.com/cd/E19455-01/806-5257/6je9h032b/index.html)
- 进程：使用 fork(2) 系统调用创建的UNIX 环境(例如文件描述符，用户 ID 等)，它被设置为运行程序。
- 线程：在进程上下文执行的一系列指令。
## 3.什么是进程
- 进程（Process）是程序的运行实例。
- 进程是程序向操作系统申请资源（如内存空间和文件句柄）的基本单位。
在用户下达运行程序的命令后，就会产生进程，任务管理器中的每一个应用都是一个进程。谷歌浏览器的每个标签页和插件都是一个进程。
## 4.什么是线程
线程是操作系统能够进行资源调度的最小单位，它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位，每个线程执行的都是进程代码的某个片段，特定的线程总是在执行特定的任务。
## 5.进程和线程的关系
### 5.1 起源不同
先有进程，后有线程。进程由于资源利用率、公平性和便利性诞生。处理器的速度往往比外设的速度快（键盘、鼠标等），为了提高 CPU 的利用率，诞生了线程，目的就是为了提高程序的执行效率。
### 5.2 概念不同
- 进程是资源分配的最小单位。
- 线程是程序执行的最小单位（线程是操作系统能够进行资源调度的最小单位，同个进程中的线程也可以被同时调度到多个 CPU 上运行），线程也被称为轻量级进程。
### 5.3 内存共享方式不同
- 默认情况下，进程的内存无法与其他进程共享（进程间通信通过 IPC 进行）。
- 线程共享由操作系统分配给其父进程的内存块。
### 5.4 拥有资源不同
- 操作系统为各个独立执行的进程分配各种资源，包括内存，文件句柄以及安全证书等。
- 线程会共享进程范围内的资源，例如内存句柄、文件句柄、进程用户 ID 以及进程组 ID 等。每个线程也有各自独立的资源，例如线程 ID、程序计数器、栈以及局部变量等。
### 5.5 数量不同
一个程序至少拥有一个进程，一个进程至少拥有一个线程。
### 5.6 开销不同
- 线程的创建、终止时间比进程短。
- 同一进程内的线程切换时间比进程短。
- 同一进程的各个线程间共享内存和文件资源，可以不通过内核进行通信。
### 5.7 生命周期类似
进程和线程都包含就绪、运行、等待状态。
## 6.Java 和多线程的关系
Java 在设计之初就支持了多线程，而且 Java 中的线程会一对一映射到操作系统的内核线程中（实际的线程数量，不是虚拟线程）。除了我们启动的线程，还包括 JVM 自启动线程。
# 二、多线程
## 1.什么是多线程
### 1.1 概念
多线程是指单个进程中运行多个线程，如果一个程序允许运行两个或以上的线程，那么它就是多线程程序。
### 1.2 例子
- 房间的例子
- 客厅：公共空间
- 厕所：锁
- 独立房间：线程共享空间
- 打扫卫生：线程合作
- 火锅的例子
- 大火锅一个人吃：单进程单线程
- 大火锅多个人吃：单进程多线程
## 2. 使用多线程的原因
### 2.1 发挥多核处理器的强大能力
- 充分发挥多核 CPU 的优势，提高处理器速度。
- 避免无效等待（进行 I/O 操作时可以处理其他事情）。
- 提升用户体验性，避免卡顿，缩短等待时间
- 并行处理，提高性能，通常用于服务器（例如 Tomcat），用多个线程去处理接收的 HTTP 请求。
- 在 Android 开发中，主线程的任务之一就是绘制屏幕， 主线程不允许进行IO 操作或网络请求，目的就是为了避免卡顿，影响用户的体验。
### 2.2 便于编程建模
将大的任务分割为多个小任务，分别建立程序模型，并通过多线程分别运行这几个任务。
### 2.3 计算机的性能定律
- 摩尔定律失效
摩尔定律——当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目每个 18-24 个月就会翻一倍以上，性能也会提升一倍。
- 阿姆达尔定律（Amdahl）登台
阿姆达尔定律：处理器越多，程序执行就越快，但有上限，取决于程序中串行部分的比例，并行的比例越高，多处理器的效果越明显。
最下面蓝色曲线，当并行的比例为 50% 时，最快速度可以提升2倍；最上面绿色曲线，当并行的比例为 95% 时，最快速度可以提升20倍。
## 3.多线程使用场景
- 后台线程，如执行定时任务。
- tomcat——每次有一个新的请求过来的时候，tomcat 会把这个请求交给一个新的线程去处理。
- 多线程后台并行下载文件。
## 4.多线程的风险
### 4.1 安全性问题
当多个线程同时访问和修改相同的变量时，将会在串行编程模型中引入非串行因素，如 i++ 的数据错误。
### 4.2 活跃性问题
当某个操作无法继续执行下去的时候，就会发生活跃性问题，如死锁、饥饿以及活锁。
### 4.3 性能问题
在多线程程序中，当线程调度器临时挂起活跃线程并转而运行另一个线程时，就会频繁得出现上下文切换操作（Context Switch），这种操作会带来极大的开销：保存和恢复执行上下文，丢失局部性，并且 CPU 将更多的时间花在线程调度而不是线程运行上。当线程共享数据时，必须使用同步机制，而这些机制往往会抑制某些编译器优化，使内存缓冲区的数据无效，以及增加共享内存总线的同步流量。这些因素都将带来额外的性能开销。
# 三、串行、并行、并发
## 1.串行
串行是将多个任务按顺序排队执行，例如：听完音乐再写代码。
## 2.并行
真正的“同时”运行，在同一时刻有多个任务执行，需要多核处理器，因为单核处理器无法在同一时刻执行多个任务。例如：边听音乐边写代码。
## 3.并发
- 两个或多个任务可以在重叠时间段内启动，运行和完成。
- 并行（两个线程同时执行）一定是并发，并发并不一定是并行。
- 例如一会儿听音乐，一会儿写代码，轮流执行。
## 4.高并发
### 4.1 概念
同时有很多个请求发送给服务器系统，服务器并行处理请求。
### 4.2 多线程和高并发
高并发是一种状态，多线程是高并发的一种重要解决方案，高并发并不意味着多线程。
### 4.3 高并发指标
- QPS（Queries Per Second）
- 带宽
- PV （Page View）
- UV（Unique Visitor）
- 吞吐率（Requests Per Second）
- 并发连接数（The number of concurrent connections）
- 服务器平均请求等待时间（Time per request: across all concurrent requests）
# 五、同步、异步、阻塞、非阻塞
## 1.同步与异步
- 同步和异步关注的是**消息通信机制**，这里指的是**调用者的行为**，表示请求是串行还是并行。
- 同步（Synchronous）：客户端发出一个请求后，一直等到服务端返回最终的结果。
- 异步（Asynchronous）：客户端发出一个请求后，还可以发出另外的请求，不用等待之前请求的结果返回。
## 2.阻塞与非阻塞
- 阻塞非阻塞关注的**程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态**，强调状态。
- 阻塞：客户端发起一个请求后，当前线程会被挂起，直到服务端返回结果。
- 非阻塞：客户端发起一个请求后，不管服务器会不会立刻返回结果，当前线程都不会被挂起。
## 3.例子
水壶烧水的例子，有两种水壶，一种普通水壶，只能自己观察水是否烧开；一种带提醒的水壶，水烧开会有声音提醒。
- 同步阻塞：用普通水壶烧水，一直等着该水壶的水烧开。
- 同步非阻塞：用普通水壶烧水，然后去客厅看电视，时不时观察水烧开了没。
- 异步阻塞：用带提醒的水壶烧水，一直等着该水壶的水烧开。
- 异步非阻塞：用带提醒的水壶烧水，然后去玩手机，直到该水壶发出声音提醒。
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