• 并发编程(概念简述)


    并发编程(概念简述)

    1 进程与线程

    1.1 概念

    1.1.1 线程

    • 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)

    1.1.2 进程

    • 一个进程之内可以分为一到多个线程。(一个进程内包含多个线程)
    • 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

    1.2 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 并行与并发

    2.1 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

    每个时间段,只能处理一个线程

    image-20220813084446988

    2.2 并行

    前提:是在多核CPU下才存在并行

    • 下图是cpu在两个核心下,同一时间处理线程的能力。

    image-20220813084635009

    2.3 两者对比

    • 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
    • 举例
      • 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

    3 应用

    3.1 同步调用

    3.1.1 测试代码

    import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
    
    /**
     * @author : look-word
     * 2022-08-13 08:58
     **/
    @Slf4j
    public class SynchronousTest {
        public static void main(String[] args) {
            readFile("xxx.text");
            log.debug("do other things ....");
        }
        // 模拟读取文件
        private static void readFile(String s) {
            log.info("{}开始读取", s);
            long beginTime = System.currentTimeMillis();
            try {
                Thread.sleep(1789);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            log.info("读取时长{} s", System.currentTimeMillis() - beginTime);
        }
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    不难发现,我们的程序是同步执行的,等待读取文件的完成,再从上往下依次执行。

    • 缺点:必须要等待读取操作的完成,假设读取花费5秒,这五秒cpu什么也美干,就干等着。(浪费时间)
    • 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

    image-20220813090501414

    3.2 异步调用

    3.2.1 测试代码

    /**
     * 异步测试
     * @author : look-word
     * 2022-08-13 08:58
     **/
    @Slf4j
    public class AsynchronousTest {
        public static void main(String[] args) {
            new Thread(() ->{readFile("xxx.text");}).start();
            log.debug("do other things ....");
        }
        // 模拟读取文件
        private static void readFile(String s) {
            log.info("{}开始读取", s);
            long beginTime = System.currentTimeMillis();
            try {
                Thread.sleep(1789);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            log.info("读取时长{} s", System.currentTimeMillis() - beginTime);
        }
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    可以看到,我们讲读取操作放入了线程中执行,他们两也没有互相干扰,等待。分别由不同的线程去完成,大大加快的程序的效率。

    image-20220813091136690

    4 创建线程的三种方式

    4.1 Thread

    示例代码

    /**
     * 使用 Thread实现
     *
     * @author : look-word
     * 2022-08-13 09:30
     **/
    @Slf4j
    public class CreateThread1 {
        public static void main(String[] args) {
            new Thread("线程1") { // 可以指定线程名称
                public void run() {  // 需要执行的内容
                    log.info("当前线程:{} 执行...",
                            Thread.currentThread().getName());
                }
            }.start(); // 启动创建的线程
    
            log.info("当前线程:{} 执行...", Thread.currentThread().getName());
        }
    }
    
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    4.2 Runnable

    示例代码

    /**
     * 使用 Ran实现
     *
     * @author : look-word
     * 2022-08-13 09:30
     **/
    @Slf4j
    public class CreateThread2 {
        public static void main(String[] args) {
            Runnable runnable = new Runnable() {
                @Override // 要执行的任务
                public void run() {
                    log.info("当前线程:{} 执行...",
                            Thread.currentThread().getName());
                }
            };
            // 创建线程  启动线程
            new Thread(runnable,"runnable").start();
            log.info("当前线程:{} 执行...", Thread.currentThread().getName());
        }
    }
    
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    小结

    Thread 是把线程和任务合并在了一起,Runnable 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

    4.3 FutureTask

    task.get(); 调用会阻塞主线程以及其他线程的运行。

    /**
     * 使用 FutureTask实现
     *
     * @author : look-word
     * 2022-08-13 09:30
     **/
    @Slf4j
    public class CreateThread3 {
        public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
            // 创建任务对象
            FutureTask<Integer> task = new FutureTask<>(new Callable<Integer>() {
                @Override
                public Integer call() throws Exception {
                    log.info("running...");
                    Thread.sleep(1000);
                    return 100;
                }
            });
            // 参数1 是任务对象; 参数2 是线程名字,推荐
            Thread t1 = new Thread(task, "t1");
            t1.start();
            // 主线程阻塞,同步等待 task 执行完毕的结果
            log.debug("阻塞任务结果,{}", task.get());
        }
    }
    
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    5 原理之线程运行

    5.1 栈与栈帧

    Java Virtual Machine Stacks (Java 虚拟机栈)

    我们都知道 JVM 中由堆、栈、方法区所组成,其中栈内存是给谁用的呢?其实就是线程,每个线程启动后,虚拟 机就会为其分配一块栈内存。

    • 每个栈由多个栈帧(Frame)组成,对应着每次方法调用时所占用的内存
    • 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

    学习地址 从p20集开始

    5.2 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 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

    • 状态包括程序计数器、虚拟机栈中每个栈帧的信息,如局部变量、操作数栈、返回地址等
    • Context Switch 频繁发生会影响性能
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  • 原文地址:https://blog.csdn.net/qq_50975965/article/details/126316584