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Life in Flow

知不知，尚矣；不知知，病矣。
不知不知，殆矣。

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进程、线程、多线程

   
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操作系统、进程、线程之间的关系

操作系统、进程、线程之间的关系

 操作系统是包含多个进程的容器，而每个进程又都是容纳多个线程的容器。

  • 进程：使用 fork(2) 系统调用创建的 UNIX 环境（比如：文件描述符，用户 ID 等），它被设置为运行程序。 进程就是代码的实例化对象。是资源分配的基本单位。
  • 线程：在进程上下文中执行的一系列指令。

Windows 下查看进程下所有线程

PsList v1.4

* 然后将解压后的 pslist.exe 复制到 C:\Windows\System32 文件夹下
* 执行  PSlist  -dmx  PID   (用来查看指定进程下有哪些线程)
* windows10 可以启动  资源监视器 来查看 java.exe进程的线程数

模拟线程

/**
 * 创建 100 个线程，用任务管理器的CPU栏目看Java线程数量的变化，10秒钟后线消失。
 */
public class Create100Threads {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        Thread.sleep(10000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();
        }
    }
}

进程和线程的不同

  • 起源不同：处理器速度比外设要快（键盘、硬盘），为了提高 CPU 利用率才诞生了线程，以提高程序的执行效率。
  • 概念不同：进程是具有独立功能的程序运行单元，是系统分配资源和调度基本单位。线程是 CPU 的调度单位。
  • 内存共享方式：不同进程之间的内存通常情况下是不共享的（除非使用 IPC 进程间通讯）， 线程与线程之间内存和通信相比进程要容易的多，因为它们本身服务于同一个进程。
  • 拥有资源不同
# 线程共享的内容
* 进程代码段
* 进程的公有数据（利用这些共享的数据，线程很容易的实现相互的通讯）
* 进程打开的文件描述符
* 信号处理器
* 进程的当前目录
* 进程用户 ID 与 进程组 ID

# 线程独有的内容
* 线程ID
* 寄存器组的值
* 线程的堆栈
* 错误返回码
* 线程的信号屏蔽码
  • 数量不同：1 个进程包含多个线程，1 个线程至少拥有一个线程
  • 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切换短
* 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

进程和线程的相似点

  • 生命周期：状态上很相似。

Java 语言和多线程的渊源

  • Java 设计之初支持多线程
  • Java 语言多用于服务端（服务端经常需要用到多线程）
  • 一对一映射到操作系统的内核线程

JVM 自动启动线程

  • Signal Dispatcher：把操作系统发来的信号分发给适当的处理程序。（连接操作系统和应用程序）。
  • Finalizer：每个对象结束的时候会执行对象的 finalize() 方法。虽然 finalize() 已经不再推荐使用。
  • Reference Handler：和 GC、引用相关的线程。
  • main：主线程，用户程序的入口。

多线程

 多线程程序：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。
 多线程：多线程是指在单个进程中运行多个线程。

为什么需要多线程？

阿姆达尔定律

  • 最主要的目的就是提高 CPU 利用率：多线程程序可以充分利用多核 CPU 资源。(除 CPU 之外的其他外设速度太慢)
  • 避免无效等待（IO 的时候可以做别的事情）
  • 提高用户体验：避免卡顿、缩短等待时机
  • 便于编程建模（将一个复杂的任务分解成若干的子任务）
  • 摩尔定律失效 （纳米级别到达了极限）
  • 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和并行的比例，程序的并行比例越高，多处理器的效果越明显。（如果程序本身的代码全部都是串行的，那么多线程并不能提高运行速度）
* tomcat 用多个线程接收进来的HTTP请求，而不是排队等待单一的线程处理
* Android 主线程的重要任务之一就绘制屏幕节界面，该主线程中不允许进行IO/操作或网络请求，目的就是为了避免卡顿，影响用户的交互

什么场景中会用到多线程

  • 为了同时做多件不同的事（打开网页同时听音乐、后台定时任务）
  • 为了提高工作效率、处理能（Tomcat、并行下载、NIO）
  • 需要同时有很大并发量的时候（压测模拟请求）

多线程的局限性

  • 性能问题：上下文切换带来的消耗。
  • 异构化任务（任务结构不一样）很难高效并行
  • 带来线程安全问题：包括数据安全问题（例如 i++ 总数的不一致）以及线程带来的活跃性问题（线程饥饿、死锁等…）

串行、并行（Parallelism）、并发（Concurrent）

串行、并行、并发

  • 串行：排队
  • 并发（Concurrent）：单处理器的逻辑上同时执行。在同一时刻只能运行一个线程，多个线程交替运行在同一。
  • 并行（Parallelism）：多处理器的物理上的同时执行。在同一时间多个处理器同时执行多个任务，并发不一定是并行（如果是单处理器）。

并发的 2 种概念

  • 形容多个任务的执行状态（多个任务看上去表面上可以同时执行）：并行一定是并发。（并发可以通过添加处理器数量升级为并行）。
  • 对 “并发性” 的简称
# 具有并发性的程序
* 不同的部分可以无序或同时执行，且不影响最终的执行结果
* 在不同核心数的计算机上的不同表现
* 并行和并发的概念并不在同一纬度
* 程序具有并发性是并发执行或并行执行的前提条件和必要条件。

单核 CPU 运行多线程的意义？

  • 单核 CPU 可以做到逻辑上的并行，虽然无法做到物理意义上的并行。
  • 程序并不知道未来运行的计算机是单核还是多核，所以在编写的时候肯定是尽量扩大代码的并行比例，以此来最多程度利用硬件资源。
  • 即便是运行在单核 CPU 上，多线程中其中一个线程执行缓慢或被阻塞（等待 I/O），其他的线程就可以充分利用阻塞的时间去做其他的事情，让程序可以高效的执行。

是什么让并发和并行成为可能？

  • CPU 升级（摩尔定律还没失效之前）
  • 操作系统升级（划分时间片）
  • 编程语言的升级

高并发只是并发的升级版吗？

什么是高并发？
 同时有很多请求发送给服务器系统，服务器就会并行处理。

* 双11：天猫每秒钟订单的创建峰值高达 49.1 万笔。
* 微信摇一摇：春晚 72亿次，峰值每分钟 8.1 亿次，同时送出了2.1亿个红包。
* 12306的PV值最高297亿次，售出1000万张票。

高并发和多线程的联系和不同？

  • 高并发指的是大量请求同时到达服务器的状况。
  • 多线程是一种解决方案。解决高并发带来的线程安全问题、性能问题。
  • 多线程是应对高并发的一种重要的解决方案，这种解决方案如果处理不当会衍生出更多的问题。（金融系统、订单系统 后果很严重）
  • 面对高并发并不一定要通过多线程这种方法去解决。（用 reids 去解决 MySQL 的高并发）
  • 高并发并不意味着是多线程：Redis（底层用单线程处理，吞吐量也很大、并发也很高）
  • 高并发的解决方案有很多种。
* 线程安全问题（HashMap ==>  ConcurrentHashMap）
* 提高硬件的利用率 （tomcat 内部采用多线程模型 来响应 多个请求）

高并发有哪些指标？

  • QPS（Queries Per Second）：每秒查询数，每秒请求数。
  • 带宽：网络带宽。
  • PV（Page View）：24 小时页面访问量。
  • UV（Unique Visitor）：24 小时页面的用户访问数量。（一个用户访问 10 次网站，PV + 10、UV +1）
  • IP 和 UV 的区别
* 如果是同一个cookie，IP变了，IP +1 ， UV 不变。
* 同一个IP中会有多个不同的 cookie，IP 不变，UV + N。
  • 并发连接数（The number of concurrent connections）：某个时刻服务器所接受的请求个数。通常会大于在线用户数量，因为一个用户可以通过发起多个不同请求。
  • 服务器平均请求等待时间（Time per request: across all concurrent request）:服务器处理一个请求所需要消耗的时间。

同步与异步、阻塞与非阻塞

  • 同步与异步：被调用者是否能立刻返回。（服务器的行为）
  • 阻塞与非阻塞：调用者在服务器未返回之前是否能做别的事。（发送方的行为）
* 同步阻塞：盯着水壶烧水，水壶沸腾了也不会发出声音。
* 同步非阻塞：每个几分钟看一下烧水，水壶沸腾了也不会发出声音。
* 异步阻塞：盯着水壶烧水，直到水壶沸腾了会发出声音。
* 异步非阻塞：可以做别的事情，水壶沸腾了会发出声音。

线程分类

 守护线程的作用：jvm 垃圾清理线程。
 尽量少使用守护线程，因其不可控性（譬如：执行任务到一半，所有用户线程都运行结束了，这时守护线程就会随着 JVM 一起退出。），如果一定要使用守护线程，也一定不要在守护线程里去进行读写操作、执行计算逻辑。（因为守护线程对于用于来说是不可控的）

  • 用户线程：只要用户线程没有执行完毕，main 程序就无法退出。
  • 守护线程：任何一个守护线程都是整个程序中所有用户线程的守护者，只要有活着的用户线程，守护线程就活着。当 JVM 实例中最后一个用户线程结束时，也随 JVM 一起退出。
/**
 * 守护线程Demo
 */
public class DaemonThreadDemo implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName());
            try {
                Thread.sleep(1000L);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(new DaemonThreadDemo());
        thread.setDaemon(true); //一定要在start()方法之前设置为守护线程
        thread.start();
        Thread.sleep(2000L);
    }
}
作者：Soulboy