简介

基于慕课网站上的一个一元钱课程《2小时搞定多线程》的 个人笔记。

线程的起源

我们先来看看网络中关于线程起源的说明，理解线程的来龙去脉对于掌握多线程有一定帮助。

此部分内容整理自下面两篇网络博客：

• # 线程是什么
• # 线程的起源

线程的起源与计算机的发展息息相关。早期的计算机系统是单指令模式，资源利用效率低下。当批处理模式即计算机的多指令模式出现后，计算机资源利用率得到有效提升，但这种模式又经常导致 CPU 陷入等待状态，无法得到充分利用，于是进程出现了。

当用户对计算机发出一系列操作指令时，每个进程会将不同的操作储存起来，随时进行切换。但是进程的指令执行效率仍然不够快，无法在同一时刻执行多个任务。为了解决这一问题，技术人员又发明了线程。

有了线程以后，每个操作指令对应的任务都能够被划分为多个子任务，由每一个单独的线程负责，而不同的线程可以同时运行，这样计算机的运行效率便得到进一步提升。

我们可以把上面的几段内容做一个概括：

1. 单指令模式（类似计算器）。
2. 多指令模式（批处理）。
3. 批处理存在CPU等待情况，进程诞生。
4. 进程指令运行效率不满足需求，为了处理多任务线程诞生。

我们会发现这里存在一些不太清楚的概念，单指令是什么？多指令模式又是什么？为什么批处理存在CPU等待情况等等.....下面我们至上而下进行简单分析。

单指令模式（类似计算器）

在计算机诞生的最早期，计算机属于政府和一些大型公司才有的”昂贵“仪器，受制各种因素限制，当时计算机只能完成一些类似”1+1“的指令操作，并且要完成这样的操作需要用户把程序写入到打孔卡（可以看作最早期的存储设备）并由专门操作人员完成执行，整个过程非常繁琐。

受这样的工作模式限制，不管来多少个用户进行输入，也只能等待计算机管理人员拿到”指令“（物理意义上）完成执行。在”拿指令“和”执行“的间隙，整个计算机都是空闲不干活的，资源利用率极低。

多指令模式（批处理）

随着CPU的执行效率提升以及对CPU资源利用率的要求提升，计算机管理员逐渐成为执行瓶颈，由此诞生了多指令模式。 多指令模式类似饭店点餐一次性下多个指令批量完成。为此人们设计了对应的批处理操作系统，由它代替计算机管理员完成任务的执行切换工作，

批处理可以挨个执行多个指令，此时我们可以把整个计算机本身类比为”单进程“操作，所以批处理在某些情况下依然存在”闲置“的情况，比如4条指令中第3条需要访问IO设备，此时第4条指令哪怕和第3条没有任何关系也依然需要等待。

进程诞生

以上的工作模式被叫做”单道批处理操作系统“，后面为了解决等待问题，人们又设计了多道批处理操作系统（也叫多任务操作系统），它的改进优势如下：

• 内存划分多个区域，每个区域存储一个程序。
• 程序执行 I/O 操作时，操作系统会将 CPU 资源分配给其它等待执行的程序。

由此”进程“的基础概念便诞生了，进程就是执行中的应用程序，操作系统会为每个进程分配独立的内存、空间和所需要的资源（IO设备，文件等）。

线程诞生

但是随着计算机软硬件的发展，人们发现像进程这种”指挥军队“的粒度代价很高并且难以控制，后面又提出了线程的概念。

进程调度的一些问题：

• 进程切换开销大。
• 进程占用空间是独立的，实现进程通信难度很大。
• 单个进程本身执行类似IO操作依然会出现等待情况。（只不过此时可以切换到其他进程）

至此我们简单梳理了单指令模式到线程诞生的全过程。

线程和进程的关系

线程包含于进程当中，进程是线程的集合。

当操作系统运行时，至少有一个进程会启动，而这个进程中往往包含了多个线程。

线程和进程的区别

相同点如下：

两者都生命周期是由一样的，线程会随着进程结束而一起结束。

不同点如下：

• 起源不同：先有进程后有线程，早期CPU为了跟上外部操作，后续出现线程的概念来提高效率。
• 概念不同：线程是CPU调度的最小单位，而进程是操作系统调度程序的独立单位。
• 作用域不同：通常线程存在共享区域，但是在进程和进程之间内容不共享（除非使用类似IPC手段进行进程通信）。
• 开销不同：进程之间通信需要内核辅助创建开销相对较大，而线程通信创建线程的开销很小。

• 线程创建终止时间比进程短。
• 同一个进程内线程切换时间比进程短。
• 同一个进程内线程可以互相共享文件资源和内存，并且不依赖内核就可以完成。

• 拥有资源不同，线程在拥有进程大部分基本资源之外还有独立的内容。
• 数量不同：同一个进程通常只有一个，而每个进程至少有一个线程。

这里强调一下拥有资源不同的含义，线程共享内容包括：

1. 进程代码段。
2. 进程公有资源（线程可以利用进程的共享资源简单通信）。
3. 进程打开的文件描述符。
4. 信号处理器。
5. 进程当前目录。
6. 进程ID进程组ID

线程独有内容包括：

1. 寄存器的值
2. 线程ID
3. 线程名称
4. 线程堆栈
5. 错误返回号码
6. 线程信号屏蔽码

Java 和 多线程

为了迎合时代需求，Java自诞生之初就天然支持多线程，Java的多线程实现是和内核线程一对一映射。

Jvm 天然多线程验证

Jvm启动需要自动开启一些后台线程维持工作：

• Finalize线程：处理部分对象的finalize操作。高版本jdk已经弃用此实现
• Single signature：接收操作系统的信号量来进行一些操作，比如Kill的信号量接收强制关闭程序。
• main 线程：也叫主线程，其他用户创建的线程都都叫做子线程
• reference gc：垃圾回收线程，对象清理工作

为了证明上面的理论，我们可以通过IDEA进行调试来验证答案。

首先我们通过IDEA编写一个HelloWorld程序，当然为了方便这里个人直接拿了SpringBoot的Main启动代码进行验证。

java

复制代码

public class InterviewApplication {  
    public static void main(String[] args) {  
        SpringApplication.run(InterviewApplication.class, args);  
    }  
}

我们把Debug断点打在代码的第一行，然后Idea中直接Debug运行。

通过下面的筛选功能，我们可以Debug中切换到其他的线程进行观察多线程执行情况。

下面j结果使用为JDK11运行。

除了上面这种观察方式之外，我们可以通过“Threads“视图界面观察所有线程的运行情况。以IDEA2022版本为例，打开”Threads“视图只需要在右上角点击小方块然后勾选“Threads”即可。

下面结果使用JDK8运行。

个人更喜欢上面的展现方式，平铺直叙告诉开发者当前断点内的线程运行情况。

如果想要多线程Debug，可以鼠标右击断点，接着会出现相关提示切换到“Thread”,，在调试多线程代码的时候，这个操作会非常方便好用。

通过上面的简单讲解可以证明Java天生就是多线程程序（哪怕只有一行代码）。

理解多线程

多线程概念

一个进程中拥有多（≥2）个线程，线程之间相互协作、共同执行一个应用程序。

现代概念中把仅有单个线程工作的应用程序成为单线程程序。

多线程目的

• 提高CPU处理效率。
• 避免无效等待（IO过程可以别的事情）。
• 提高用户体验，避免卡顿和缩短等待时间。

• 并行处理：提高性能，多个线程接收http请求。
• 安卓开发：主线程只能绘制界面。线程不允许io或者网络请求，避免卡顿影响体验。

• 编程建模。
• 摩尔定律失效之后，CPU的频率逐渐达到瓶颈，根本处理器越来越接近纳米工艺，再往下原子设计无法突破物理极限。导致单核的性能主频提升已经越过临界点。

• CPU由单核转为多核多线程，多线程利用越发重要。

• 阿姆达尔定律：处理器越多，处理效率越高，但是上限取决于串行部分的代码占比，占比越小性能越高。

阿姆达尔定律

在处理器运行单核速度放缓的今天，处理器开始追求多核心多线程，但是需要注意多线程的效率提升取决于代码能够用到多少并行性能。

如果一个程序只能单核单线程串行运行，那么程序运行的时候多线程是没有任何意义的，如果代码支持一半并行一半串行，效率提升2倍，如果程序有95%支持并行，那就可以提升20倍性能。

通过下面这个图，可以很直观的看到并行带来质的提升。

多线程局限

多线程的引入不可避免的带来更为复杂的情况。

• 异构化任务很难高效并行。
• 性能安全问题。

• 上下文切换。
• 共享数据互相篡改幻读。
• 缓存失效

• 线程安全问题。

• 编码设计逻辑漏洞等。
• 活跃性问题（线程饥饿、死锁）。
• 非原子操作问题（例如 i++）。

多线程的生活案例

这里列举生活中吃火锅的案例来理解多线程：

1. 大火锅一个人吃：单进程单线程串行执行。
2. 大火锅多人吃：单进程多线程。
3. 每人小火锅：多进程多线程。
4. 吃火锅底料：资源不足 。

【Java】《2小时搞定多线程》个人笔记（二）https://developer.aliyun.com/article/1395301