一、进程和线程

1.1 进程和线程

进程

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）

线程

一个进程之内可以分为一到多个线程。

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

简单对比：进程只用做线程的容器,用来加载指令,管理内存和IO, 是静态的。线程将指令按照一定顺序交给CPU执行 ,是和CPU交互的,是动态的。

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

上下文切换:当一个任务不运行时候,其他任务要运行.内存此时不够了,怎么办, 先把那些用不到的线程暂停(将其代码存储起来)，之后等内存空闲了继续运行。进程包含多个线程，所以进程上下文切换到耗费比较高!

1.2 并行与并发

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

多核 cpu下，每个核（core）都可以调度运行线程，这时候线程可以是并行的。

引用 Rob Pike 的一段描述：

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

例子

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

应用之异步调用（案例1）

1.3 应用

1.3.1 同步调用和异步调用

以调用方角度来讲，如果

需要等待结果返回，才能继续运行就是同步

不需要等待结果返回，就能继续运行就是异步

1) 设计

多线程可以让方法执行变为异步的（即不要巴巴干等着）比如说读取磁盘文件时，假设读取操作花费了 5 秒钟，如果没有线程调度机制，这 5 秒 cpu 什么都做不了，其它代码都得暂停…

2) 代码演示

/**
 * 同步等待
 */
@Slf4j(topic = "c.Sync")
public class Sync {
    public static void main(String[] args) {
        FileReader.read(Constants.MP4_FULL_PATH);
        log.debug("do other things ...");
    }
}

/**
 * 异步
 */
@Slf4j(topic = "c.Async")
public class Async {
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> FileReader.read(Constants.MP4_FULL_PATH)).start();
        log.debug("do other things ...");
    }
}

3) 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。（比如爱奇艺中下载视频,就会重新开启一个线程）

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

1.3.2 多线程应用之提高效率

充分利用多核 cpu 的优势，提高运行效率。想象下面的场景，执行 3 个计算，最后将计算结果汇总。

计算 1 花费 10 ms
计算 2 花费 11 ms
计算 3 花费 9 ms
汇总需要 1 ms

如果是串行执行，那么总共花费的时间是 10 + 11 + 9 + 1 = 31ms

但如果是四核 cpu，各个核心分别使用线程 1 执行计算 1，线程 2 执行计算 2，线程 3 执行计算 3，那么 3 个线程是并行的，花费时间只取决于最长的那个线程运行的时间，即 11ms 最后加上汇总时间只会花费 12ms

注意

需要在多核 cpu 才能提高效率，单核仍然时是轮流执行

1) 代码演示（此部分只需要理解就OK）

package com.itcast;
import org.openjdk.jmh.annotations.*;
import java.util.Arrays;
import java.util.concurrent.FutureTask;
/**
 * 案例：对一亿个数进行求和运算，比较单核和多核下的多线程效率
 */
@Fork(1)
@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)  //程序平均执行时间
@Warmup(iterations=3)  //热身次数
@Measurement(iterations=5) //进行无论测试
public class MyBenchmark {
    static int[] ARRAY = new int[1000_000_00];
    static {
        Arrays.fill(ARRAY, 1);
    }
    //建立 四个线程，每个计算250 000 00个数，然后将结果汇总返回。
    @Benchmark
    public int c() throws Exception {
        int[] array = ARRAY;
        FutureTask<Integer> t1 = new FutureTask<>(()->{
            int sum = 0;
            for(int i = 0; i < 250_000_00;i++) {
                sum += array[0+i];
            }
            return sum;
        });
        FutureTask<Integer> t2 = new FutureTask<>(()->{
            int sum = 0;
            for(int i = 0; i < 250_000_00;i++) {
                sum += array[250_000_00+i];
            }
            return sum;
        });
        FutureTask<Integer> t3 = new FutureTask<>(()->{
            int sum = 0;
            for(int i = 0; i < 250_000_00;i++) {
                sum += array[500_000_00+i];
            }
            return sum;
        });
        FutureTask<Integer> t4 = new FutureTask<>(()->{
            int sum = 0;
            for(int i = 0; i < 250_000_00;i++) {
                sum += array[750_000_00+i];
            }
            return sum;
        });
        new Thread(t1).start();
        new Thread(t2).start();
        new Thread(t3).start();
        new Thread(t4).start();
        return t1.get() + t2.get() + t3.get()+ t4.get();
    }
    //单个线程计算1亿个数
    @Benchmark
    public int d() throws Exception {
        int[] array = ARRAY;
        FutureTask<Integer> t1 = new FutureTask<>(()->{
            int sum = 0;
            for(int i = 0; i < 1000_000_00;i++) {
                sum += array[0+i];
            }
            return sum;
        });
        new Thread(t1).start();
        return t1.get();
    }
}

运行结果：

2) 结论

单核 cpu 下，多线程不能实际提高程序运行效率，只是为了能够在不同的任务之间切换，不同线程轮流使用cpu ，不至于一个线程总占用 cpu，别的线程没法干活

多核 cpu 可以并行跑多个线程，但能否提高程序运行效率还是要分情况的

有些任务，经过精心设计，将任务拆分，并行执行，当然可以提高程序的运行效率。但不是所有计算任

务都能拆分（参考后文的【阿姆达尔定律】）

也不是所有任务都需要拆分，任务的目的如果不同，谈拆分和效率没啥意义

IO 操作不占用 cpu，只是我们一般拷贝文件使用的是【阻塞 IO】，这时相当于线程虽然不用 cpu，但需要一直等待 IO 结束，没能充分利用线程。所以才有后面的==【非阻塞 IO】和【异步 IO】==优化

二、Java线程

2.1 创建和运行线程

2.1.1 方法一：直接使用 Thread

/**
 * @author lxy
 * @version 1.0
 * @Description 方法一：使用Thread创建线程（任务和线程绑定在一起）
 * @date 2022/5/22 18:52
 */
@Slf4j(topic = "c.Test1")
public class Test1 {
    public static void test01(String[] args) {
        Thread t = new Thread(){ //使用匿名内部类的方式.
            @Override
            public void run() {//run方法里面写线程要执行的任务。。
                log.debug("running");
            }
        };
        t.setName("t1");
        t.start();
        log.debug("running");
    }
}

2.1.2 方法二：使用 Runnable 配合 Thread

把【线程】和【任务】（要执行的代码）分开

Thread 代表线程
Runnable 可运行的任务（线程要执行的代码）

/**
 * @author lxy
 * @version 1.0
 * @Description 方法二：使用Runnable创建线程（任务和线程分离，推荐使用）
 * @date 2022/5/22 18:52
 */
@Slf4j(topic = "c.Test2")
public class Test2 {
    public void test01() {
        Runnable r = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                log.debug("running");
            }
        };
        Thread t = new Thread(r, "t2");
        t.start();
        log.debug("running");
    }
    //使用Lambda表达式简化
    public void test02(){
        Runnable r = ()-> {log.debug("running");};//使用Lambda表达式简化
        Thread t = new Thread(r, "t2");
        t.start();
        log.debug("running");
    }
}

2.1.3 原理之 Thread 与 Runnable 的关系

分析 Thread 的源码，理清它与 Runnable 的关系

/**
 * @author lxy
 * @version 1.0
 * @Description 面试题：你执行的是run方法是Thread类的还是Runnable接口的？
 * @date 2022/5/26 18:35
 */
public class ThreadTests {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"：runnable's run method");
            }
        };
        Thread thread1 = new Thread(runnable,"thread1");
        Thread thread2 = new Thread("thread2"){
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"：sub Thread class's run method");
            }
        };
        Thread thread3 = new Thread(runnable,"thread3"){
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"：sub Thread class's run method");
            }
        };
        Thread thread4 = new Thread(runnable,"thread4"){
            @Override
            public void run() {
                super.run();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"：sub Thread class's run method");
            }
        };
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
        thread4.start();
    }
}

thread1是由调用的有参构造方法，那么执行链应该是Thread.run调用Runnable的run方法，结果应该就是thread1：runnable's run method

thread2 是创建了一个thread子类对象，并且覆盖了Thread类的run方法，那么最终执行的是子类的run方法，结果应该是thread2：sub Thread's run method

thread3 创建了和thread2 同样的类对象，但是确调用了父类的有参构造方法，也就是初始化了Runnable类型的target对象，虽然有了target，但是由于我们重写了run方法，那么就应该执行子类的方法，结果应该是thread3：sub Thread class's run method

thread4 创建方式和thread3是一样的，但是run方法内部又调用了父类Thread的方法，父类的run()，是通过target调用的（由源码得知），因为此时传入的也有Runable()对象，则直接执行Runable()的run方法。之后再执行我们子类的打印内容，最终结果应该有两行，分别是thread4：runnable's run method thread4：sub Thread class's run method

小结

方法1 是把线程和任务合并在了一起，方法2 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
当既有Runable()传入，又有子类实现，则调用的默认是子类的run方法

2.1.4 方法三：FutureTask 配合 Thread

FutureTask 能够接收 Callable 类型的参数，用来处理有返回结果的情况

/**
 * @author lxy
 * @version 1.0
 * @Description  使用FutureTask创建Thread
 * @date 2022/5/26 22:08
 */
@Slf4j(topic = "c.Test3")
public class Test3 {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        FutureTask<Integer> task = new FutureTask <>(new Callable <Integer>() {
            @Override
            public Integer call() throws Exception {
                log.debug("running");
                Thread.sleep(2000);
                return 100;
            }
        });
        Thread t1 = new Thread(task, "t1");
        t1.start();
        log.debug("{}",task.get());
    }
}

2.2 观察多个线程同时运行

特点

交替执行
谁先谁后，不由我们控制

@Slf4j(topic = "c.Test3")
public class Test3 {
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            while(true) {
                log.debug("running...");
            }
        }, "t1").start();
        new Thread(() -> {
            while(true) {
                log.debug("running...");
            }
        }, "t2").start();
    }
}

《JUC并发编程 - 高级篇》01 - 进程与线程概述 | 02 - Java线程（创建线程、查看线程、线程常见方法、线程状态）（一）