java线程（1）

1. 总体路线

pom依赖

<properties>
<maven.compiler.source>1.8</maven.compiler.source>
<maven.compiler.target>1.8</maven.compiler.target>
</properties>
<dependencies>
    <dependency>
<groupId>org.projectlombok</groupId>
<artifactId>lombok</artifactId>
<version>1.18.10</version>
</dependency>
<dependency>
<groupId>ch.qos.logback</groupId>
<artifactId>logback-classic</artifactId>
<version>1.2.3</version>
</dependency>
</dependencies>

logback.xml 配置如下

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<configuration
xmlns="http://ch.qos.logback/xml/ns/logback"
xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
xsi:schemaLocation="http://ch.qos.logback/xml/ns/logback logback.xsd">
<appender name="STDOUT" class="ch.qos.logback.core.ConsoleAppender">
<encoder>
<pattern>%date{HH:mm:ss} [%t] %logger - %m%n</pattern>
</encoder>
</appender>
<logger name="c" level="debug" additivity="false">
<appender-ref ref="STDOUT"/>
</logger>
<root level="ERROR">
<appender-ref ref="STDOUT"/>
</root>
</configuration>

2.1 进程与进程

进程

• 程序由指令和数据组成，但是这些指令要运行， 数据要读写，就必须将指令加载到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
• 当一个指令被运行，从磁盘加载这个程序的代码到内存，这时候就开启了一个进程
• 进程就可以视为程序的一个实例，大部分程序都可以运行多个实例进程（例如记事本，浏览器等），部分只可以运行一个实例进程（例如360安全卫士）

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（这里感觉要学了计算机组成原理之后会更有感觉吧！）

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

2.2 并行与并发

并发

在单核 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 。一般会将这种线程轮流使用 CPU 的做法称为并发（concurrent）

并行

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，不同的线程同时使用不同的cpu在执行。

二者对比

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

• 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
• 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
• 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）

进程和线程的切换

上下文切换

内核为每一个进程维持一个上下文。**上下文就是内核重新启动一个被抢占的进程所需的状态。**包括以下内容：

• 通用目的寄存器
• 浮点寄存器
• 程序计数器
• 用户栈
• 状态寄存器
• 内核栈
• 各种内核数据结构：比如描绘地址空间的页表，包含有关当前进程信息的进程表，以及包含进程已打开文件的信息的文件表

进程切换和线程切换的主要区别

最主要的一个区别在于进程切换涉及虚拟地址空间的切换而线程不会。因为每个进程都有自己的虚拟地址空间，而线程是共享所在进程的虚拟地址空间的，因此同一个进程中的线程进行线程切换时不涉及虚拟地址空间的转换

页表查找是一个很慢的过程，因此通常使用cache来缓存常用的地址映射，这样可以加速页表查找，这个cache就是快表TLB（translation Lookaside Buffer，用来加速页表查找）。由于每个进程都有自己的虚拟地址空间，那么显然每个进程都有自己的页表，那么当进程切换后页表也要进行切换，页表切换后TLB就失效了，cache失效导致命中率降低，那么虚拟地址转换为物理地址就会变慢，表现出来的就是程序运行会变慢，而线程切换则不会导致TLB失效，因为线程线程无需切换地址空间，因此我们通常说线程切换要比较进程切换快

而且还可能出现缺页中断，这就需要操作系统将需要的内容调入内存中，若内存已满则还需要将不用的内容调出内存，这也需要花费时间

为什么TLB能加快访问速度

快表可以避免每次都对页号进行地址的有效性判断。快表中保存了对应的物理块号，可以直接计算出物理地址，无需再进行有效性检查

应用

同步和异步的概念

以调用方的角度讲，如果

• 需要等待结果返回才能继续运行的话就是同步
• 不需要等待就是异步

1) 设计

多线程可以使方法的执行变成异步的，比如说读取磁盘文件时，假设读取操作花费了5秒，如果没有线程的调度机制，这么cpu只能等5秒，啥都不能做。

2) 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

结论

1. 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
2. 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

3. 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

java线程

3.1 创建和运行线程

方法一，直接使用 Thread

// 构造方法的参数是给线程指定名字，，推荐给线程起个名字
Thread t1 = new Thread("t1") {
 @Override
 // run 方法内实现了要执行的任务
 public void run() {
 log.debug("hello");
 }
};
t1.start();

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）Test2.java

// 创建任务对象
Runnable task2 = new Runnable() {
 @Override
 public void run() {
 log.debug("hello");
 }
};
// 参数1 是任务对象; 参数2 是线程名字，推荐给线程起个名字
Thread t2 = new Thread(task2, "t2");
t2.start();

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。通过查看源码可以发现，方法二其实到底还是通过方法一执行的！

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 Test3.java

public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        // 实现多线程的第三种方法可以返回数据
        FutureTask futureTask = new FutureTask<>(new Callable<Integer>() {
            @Override
            public Integer call() throws Exception {
                log.debug("多线程任务");
                Thread.sleep(100);
                return 100;
            }
        });
        // 主线程阻塞，同步等待 task 执行完毕的结果
        new Thread(futureTask,"我的名字").start();
        log.debug("主线程");
        log.debug("{}",futureTask.get());
    }

Future就是对于具体的Runnable或者Callable任务的执行结果进行取消、查询是否完成、获取结果。必要时可以通过get方法获取执行结果，该方法会阻塞直到任务返回结果。

public interface Future<V> {
    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
    boolean isCancelled();
    boolean isDone();
    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
    V get(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

Future提供了三种功能：

1. 判断任务是否完成；
2. 能够中断任务；
3. 能够获取任务执行结果。

总结

使用继承方式的好处是方便传参，你可以在子类里面添加成员变量，通过set方法设置参数或者通过构造函数进行传递，而如果使用Runnable方式，则只能使用主线程里面被声明为final的变量。不好的地方是Java不支持多继承，如果继承了Thread类，那么子类不能再继承其他类，而Runable则没有这个限制。前两种方式都没办法拿到任务的返回结果，但是Futuretask方式可以

3.2 线程运行原理

虚拟机栈与栈帧

拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧(stack frame)用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息，是属于线程的私有的。当java中使用多线程时，每个线程都会维护它自己的栈帧！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

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(每个线程轮流执行，看前面并行的概念)
• 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

3.3 Thread的常见方法

查看进程的方法

windows

任务管理器可以查看进程和线程数，也可以用来杀死进程

• tasklist 查看进程
• taskkill 杀死进程

linux

• ps -fe 查看所有进程
• ps -fT -p 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 查看某个进程（PID）的所有线程

Java

• jps 命令查看所有 Java 进程
• jstack 查看某个 Java 进程（PID）的所有线程状态
• jconsole 来查看某个 Java 进程中线程的运行情况（图形界面）
• 
  

jconsole 远程监控配置(win+r 输入jconsole)

• 需要以如下方式运行你的 java 类

java -Djava.rmi.server.hostname=`ip地址` -Dcom.sun.management.jmxremote -
Dcom.sun.management.jmxremote.port=`连接端口` -Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=是否安全连接 -
Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=是否认证 java类

• 修改 /etc/hosts 文件将 127.0.0.1 映射至主机名

如果要认证访问，还需要做如下步骤

• 复制 jmxremote.password 文件
• 修改 jmxremote.password 和 jmxremote.access 文件的权限为 600 即文件所有者可读写
• 连接时填入 controlRole（用户名），R&D（密码）

Thread的

java线程（2）https://developer.aliyun.com/article/1530846