基础概述

进程与线程

进程

  • 程序由指令和数据组成，是为了完成某个特定的任务而用某种语言编写的一系列指令集合， 通俗来说就是我们写的静态的没运行起来的代码 。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运行实例，即正在运行的程序（进入到内存的正在执行的程序），存在生命周期。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）[ 运行多个进程实例就比如说一个笔记本应用可以打开多个；而网易云不论你点击多少次都是打开同一个进程。]

线程

  • 一个进程之内可以分为一到多个线程，可以理解为线程就是程序内部的一条执行路径（若一个进程（程序）同一时间内并行执行多个线程就算支持多线程的，这样的程序也叫做多线程程序）。
  • 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（最小调度单位：CPU从线程中获取指令），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。

一个Java应用程序java.exe，其实至少有三个线程：main()主线程，gc()垃圾回收线程，异常处理线程。当然如果发生异常，会影响主线程。【多线程间互不影响——>在不同的栈内存中】

二者对比

进程和线程的区别：
进程：每个进程都有独立的代码和数据空间（进程上下文），进程间的切换会有较大的开销，一个进程包含1—n个线程。（进程是资源分配的最小单位）
线程：同一类线程共享代码和数据空间，每个线程有独立的运行栈和程序计数器(PC)，线程切换开销小。（线程是cpu调度的最小单位）
线程和进程一样分为五个阶段：创建、就绪、运行、阻塞、终止。
其他区别

  • 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

一个进程内含有多个线程，不同进程之间不共享同一片内存。
在很多现代操作系统中，一个进程的（虚）地址空间大小为4G，分为系统（内核？）空间和用户空间两部分，系统空间为所有进程共享，而用户空间是独立的，一般WINDOWS进程的用户空间为2G。
一个进程中的所有线程共享该进程的地址空间，但它们有各自独立的（/私有的）栈(stack)，Windows线程的缺省堆栈大小为1M。堆(heap)的分配与栈有所不同，一般是一个进程有一个C运行时堆，这个堆为本进程中所有线程共享，windows进程还有所谓进程默认堆，用户也可以创建自己的堆。
用操作系统术语，线程切换的时候实际上切换的是一个可以称之为线程控制块的结构（TCB）,里面保存所有将来用于恢复线程环境必须的信息，包括所有必须保存的寄存器集，线程的状态等。

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，所以就给人类感 觉是 同时运行的 。

简单地总结为一句话就是： 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。

多线程应用之异步调用

以调用方角度来讲，如果调用它时需要等待其结果返回，才能继续运行下去就是同步 ；反之不需要等待其结果返回，就能继续运行的就是异步

1)如何设计？ 多线程可以让方法的执行从同步的变为异步的（即不要程序巴巴干等着），比如正常情况下读取磁盘文件时就设计到IO操作，假设读取文件的操作花费了 5 秒钟，如果没有线程调度机制，这 5 秒内cpu 什么都做不了，其它代码都得暂停下来等待读取磁盘IO操作的完成；

下面举的两个例子不太好，可能会引导面试官往自己不擅长的tomcat去提问，最好举一个自己擅长的例子比如MQ的异步通知；

而运用多线程， 比如在项目中，视频文件需要转换格式等IO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 也是类似的原理，让用户线程处理耗时较长的操作，避免阻塞 tomcat 的工作线程。

多线程异步之提高效率

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。

image.png

  • 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

所以，

  • 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 才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
    • 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 （NIO 与BIO）