基于操作系统讨论Java线程与进程、浅谈Go的线程与管程

文章目录

  • 操作系统中的进程
    • 进程概念
    • 进程的状态
  • Java中的进程
    • Java进程的概念
    • Java进程的特性
    • Java进程的状态
    • Java进程与操作系统进程的通信
  • 操作系统的进程和Java进程的区别联系
      • 操作系统进程
      • Java 进程
      • 区别和联系
  • 操作系统中的线程
    • 动机
    • 优点
    • 多核编程
  • Java中的线程
    • 定义:
    • 特点:
    • 创建线程的方式:
    • 线程生命周期:
    • 线程调度:
  • Java的线程和操作系统的线程的区别和联系
  • Go的管程

说在开头: 一个进程可以包含多个线程,一个线程只能对应一个进程。一个程序至少有一个进程。进程是操作系统资源分配的基本单位,而线程是程序执行的最小单位

  • 进程:指在系统中正在运行的一个应用程序;程序一旦运行就是进程;进程—资源分配的最小单位
  • 线程:系统分配处理器时间资源的基本单元,或者说进程之内独立执行的一个单元执行流线程—程序执行的最小单位
    进程更像是一个工作,线程则是执行进程的人

想象一下你在制作一份报告。整个报告制作的过程就是一个进程,而制作报告的不同步骤,比如收集资料、写正文、设计图表,就是线程。这些线程可以同时协调工作,从而更高效地完成整份报告。

操作系统中的进程

进程概念的产生:早期的计算机一次只能执行一个程序。这种程序完全控制系统,并访问所有系统资源。现代操作系统允许加载多个程序到内存,以便并发执行。这些需求导致了进程概念的产生,即进程为执行中的程序

  • 进程是现代分时操作系统的工作单元

  • 通过CPU的多路复用所有进程可以并发执行

    • 通过在进程之间切换CPU,操作系统能使计算机更为高效
  • 引入进程概念,即执行的程序,这是所有计算的基础

  • 讨论进程的各类特性,包括调度、创建和终止

  • 探讨通过共享内存和消息传递的进程间通信

  • 讨论客户机与服务器系统间的通信

进程概念

  • 在讨论操作系统时,有个问题是关于如何称呼所有CPU活动。批处理系统执行作业(job),而分时系统使用用户程序或任务( task).。即使单用户系统,用户也能同时运行多个程序(如文字处理、网页浏览等)。

  • 即使用户一次只能执行一个程序,操作系统也需要支持本身的内部活动,如内存管理。所有这些活动在许多方面都相似,因此称为进程(process)

  • 程序本身不是进程,程序只是被动实体。

    • 如存储在磁盘上的包含一系列指令的文件(通常称为可执行文件)。
    • 而进程是活动实体。
    • 当一个可执行文件被加载到内存时,这个程序就成为进程。
  • 进程是执行中的程序实体

    • 一个文件(程序)可以,由多个进程来运行,比如一个浏览器用多个进程运行
  • 进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位

    • 进程不只是程序代码
    • 进程还包括:当前活动(如程序计数器的值和寄存器的内容等,另外还可能包括推、栈、数据等)

进程的状态

进程在执行时会改变状态。进程状态,部分取决于进程的当前活动。
每个进程可能处于以下状态:

  • 新的(new) :进程正在创建
  • 运行( running):指令正在执行
  • 等待(waiting) :又称阻塞状态,进程等待发生某个事件(如IO完成)
  • 就绪(ready) :进程等待分配处理器
  • 终止( terminated) :进程已经结束

Java中的进程

Java中的进程概念与操作系统中的进程有相似之处,但也有其特有的特点。Java进程指的是运行Java应用程序的环境,由Java虚拟机(JVM)托管和执行。

Java进程的概念

  • Java进程是指运行在JVM上的程序实例。当启动一个Java应用时,JVM创建一个进程来托管这个应用。
  • Java进程为程序提供了必要的运行环境,包括内存分配、资源管理和垃圾回收等。
  • Java进程是操作系统进程的一个实例,JVM运行在操作系统层面上的一个进程内。
    • 通常启动一个main方法就是启动了一个进程,通常一个Java程序只会启动一个进程
  • 每个Java进程可以包含多个线程,共享相同的内存空间和JVM资源。

Java进程的特性

  • 跨平台性:由于JVM的存在,Java进程在不同操作系统上的行为保持一致,实现了真正的跨平台运行。
  • 内存管理:JVM负责Java进程的内存管理,包括堆内存和方法区的分配与管理。
  • 垃圾回收:Java进程的垃圾回收由JVM自动管理,减轻了开发者的内存管理负担。
  • 异常处理:Java进程内部的异常处理机制可以有效地管理运行时错误,保证程序的稳定运行。

Java进程的状态

与操作系统进程类似,Java进程也有不同的状态,但它们更多地与JVM的生命周期相关联:

  • 启动:当运行Java应用时,JVM启动并创建一个新的进程。
  • 执行:Java进程执行应用程序的代码,包括加载类、执行方法等。
  • 等待:Java进程可能因为IO操作或者其他阻塞操作进入等待状态。
  • 终止:应用程序执行完成后,Java进程终止,JVM进行清理工作并释放资源。

Java进程与操作系统进程的通信

  • Java进程可以通过各种方式与操作系统进程交互,例如使用Java的RuntimeProcessBuilder类。
  • 这些类允许Java应用启动和管理操作系统级别的进程,以及与这些进程进行交互。

Java进程是JVM中的一个重要概念,它为Java应用提供了一个独立于操作系统的运行环境。JVM的存在使得Java进程具有跨平台性,并管理着进程内存和生命周期,从而简化了开发过程并增强了程序的稳定性。同时,Java进程也能与操作系统层面的进程进行交互,实现更复杂的功能。

操作系统的进程和Java进程的区别联系

操作系统进程和Java进程有着密切的关系,但它们在定义、管理方式以及运行环境方面存在一些关键区别和联系:

操作系统进程

  1. 定义:

    • 操作系统进程是操作系统的基本运行单元。它是程序执行的实体,拥有独立的地址空间和资源(如文件句柄、内存等)。
  2. 管理:

    • 进程由操作系统内核管理。操作系统负责进程的创建、调度、资源分配和回收。
  3. 隔离性:

    • 每个操作系统进程在内存中拥有独立的地址空间,进程间互不干扰,确保了安全和稳定。
  4. 通信:

    • 进程间通信(IPC)需要特定的机制,如管道、消息队列、共享内存等。
  5. 平台依赖性:

    • 操作系统进程的行为和性能受到底层操作系统的影响,具有平台依赖性。

Java 进程

  1. 定义:

    • Java进程指的是运行Java应用程序的实例。在Java中,每当运行一个Java程序时,Java虚拟机(JVM)在操作系统中为该程序创建一个进程。
  2. 管理:

    • Java进程由JVM管理,JVM负责Java应用的运行、内存管理、垃圾回收等。
  3. 隔离性:

    • 虽然Java进程在操作系统中作为一个独立的进程存在,但Java应用内部的线程共享相同的内存空间和JVM资源。
  4. 通信:

    • Java进程内的线程通信相对更简单,但Java进程间的通信则需要依赖于JVM提供的机制或操作系统级的IPC机制。
  5. 跨平台性:

    • 由于JVM的存在,Java进程具有跨平台性,同一Java程序可以在不同操作系统上运行而无需修改代码。

区别和联系

  • 平台依赖性 vs 跨平台性:

    • 操作系统进程直接受操作系统控制,具有平台依赖性。而Java进程由JVM管理,因此具有跨平台性,不会依赖当前平台。
  • 管理机制:

    • Java进程的管理是通过JVM实现的,它提供了一系列针对Java应用优化的管理策略。操作系统进程管理则是由操作系统直接控制。
  • 资源隔离与共享:

    • 在操作系统中,每个进程有自己独立的资源和地址空间,而在单个Java进程内,不同的线程共享相同的资源。
      • 关于不同进程访问其他的进程的资源,也是有办法办到,只不过并不如线程共享资源那般自然和容易。
      • 在单个Java进程内部,所有线程共享相同的堆内存空间。这意味着它们可以直接访问同一个对象或变量。然而,每个线程还拥有自己的栈空间,用于存储本地变量和调用历史,这部分内存是独立的。
      • 通信机制:
        • 操作系统进程间的通信依赖于操作系统提供的IPC机制。Java进程(或其内部的线程)之间的通信可以利用JVM提供的机制或操作系统级IPC。
        • IPC(Inter-Process Communication)
          • 管道(Pipes):管道是最基本的IPC机制,它允许一个进程的输出直接成为另一个进程的输入。传统的管道是半双工的(只能单向通信),但也有全双工的管道。
          • 消息队列(Message Queues):消息队列允许进程发送和接收消息。这些消息存储在队列中,直到被接收进程取走。
          • 共享内存(Shared Memory):允许多个进程访问同一块内存空间。这是一种非常高效的数据交换方式,但需要处理好进程间的同步问题。
          • 信号量(Semaphores):用于控制对共享资源的访问。信号量可以是二进制的(锁)或者可以有多个值,用于实现复杂的同步需求。
          • 套接字(Sockets):套接字是用于网络通信的一种方式,但也可以用于同一台机器上的进程间通信。它支持基于流(TCP)和基于数据报(UDP)的通信。
          • 远程过程调用(Remote Procedure Calls, RPC):允许一个进程调用另一个进程的函数或方法,就像调用本地函数一样。RPC隐藏了底层的通信细节。
          • 内存映射文件(Memory-mapped files):使用文件系统的一部分内存作为进程间通信的媒介。这种方式允许文件内容被映射到多个进程的地址空间中。

Java进程是JVM在操作系统进程基础上的一个抽象和实现。JVM为Java进程提供了一致的运行时环境,使其具有跨平台性,同时也引入了一些特有的管理和通信机制。

操作系统中的线程

每个线程是CPU使用的一个基本单元。

  • 它包括线程ID、程序计数器、寄存器组和堆栈
    • 它与同一进程的其它线程共享代码段、数据段和其它操作系统资源
  • 一个进程一般具有多个线程,那么进程能同时执行多个任务。请添加图片描述

动机

一个进程为什么要创建多个线程?

  • 1.操作系统创建多个进程比一个进程中创建多个线程的开销大
  • 2.进程间通信和线程间通信更复杂
    • 都在一个程序内部,也更安全

优点

  • 响应性:如果一个交互程序采用多线程,那么即使部分阻塞或执行冗余操作,它仍然可以继续执行,从而增加对用户的响应程度。
  • 资源共享:进程只能通过如共享内存和消息传递之类的技术实现共享资源。而线程默认共享它们所属进程的内存和资源
  • 经济:进程创建所需的内存和资源分配非常昂贵。
  • 可伸缩性:对于多处理器体系结构,多线程的优点更大,因为线程可在多处理器核上并行运行。

多核编程

早期计算机是单核—>现代计算机是多核

  • 多核编程提供机制,以便更有效的使用这些多个计算核和改进并发性

  • 并行性:并行系统可以同时执行多个任务,指多核系统,多个进程同时执行的情况

  • 并发性:并发系统也可以同时执行多个任务。指通过CPU上下文切换,执行多个任务的情况

  • CPU调度器通过快速切换系统内的进程,以便允许每个进程取得进展,从而提供并行假想。

Java中的线程

在Java中,线程是程序执行流的最小单元。线程允许程序同时执行多个任务,使得程序能够更有效地利用系统资源和提高程序的响应能力。下面是关于Java中线程的详细分析:

定义:

线程是程序执行的一条路径,每个线程都是独立的、并发执行的。在Java中,线程是通过 java.lang.Thread 类来表示的。

特点:

  • 线程是轻量级的:相比进程,线程占用的系统资源更少,创建和销毁线程的开销也比较小。
  • 线程是并发执行的:一个程序中的多个线程可以并发执行,它们共享程序的内存空间。
  • 线程是抢占式的:操作系统会不时地暂停当前正在执行的线程,将处理器分配给其他线程,这种方式称为抢占式调度。
  • 线程是独立调度的:每个线程都有自己的执行路径,线程之间相互独立,互不影响。

创建线程的方式:

  • 继承 Thread 类:创建一个类,继承 Thread,并重写 run 方法来定义线程执行的任务,然后创建该类的实例并调用 start 方法来启动线程。
  • 实现 Runnable 接口:创建一个实现了 Runnable 接口的类,实现其 run 方法,并将其作为参数传递给 Thread 类的构造方法,然后启动线程。

线程生命周期:

  • 新建状态(New):当线程对象被创建时,线程处于新建状态。
  • 就绪状态(Runnable):当调用 start 方法后,线程处于就绪状态,表示线程已经准备好,等待系统调度执行。
  • 运行状态(Running):当线程获得CPU时间片时,进入运行状态,开始执行 run 方法中的任务。
  • 阻塞状态(Blocked):线程因为某些原因放弃 CPU 使用权,暂时停止运行。可能是等待某个资源,或者调用了 sleep、join 等方法。
  • 终止状态(Terminated):线程执行完了任务或者发生异常导致线程终止。

线程调度:

Java 线程调度由操作系统和 JVM 共同完成。操作系统负责分配 CPU 时间片给各个线程,而 JVM 的线程调度器负责决定哪个线程获得 CPU 时间片。

总之,线程是 Java 中实现并发编程的重要工具,能够帮助程序实现同时执行多个任务的能力。然而,线程的并发执行也带来了线程安全、死锁等问题,需要开发人员特别注意。

Java的线程和操作系统的线程的区别和联系

区别:

  1. 抽象级别:Java的线程是在Java虚拟机(JVM)中实现的,属于应用程序级别的线程。而操作系统的线程是在操作系统内核中实现的,属于操作系统级别的线程。

  2. 调度管理:Java的线程的调度和管理是由Java虚拟机来负责的,而操作系统的线程调度和管理是由操作系统内核来负责的。

  3. 平台独立性:Java的线程可以实现跨平台的特性,因为它们是由Java虚拟机来管理的,与具体的操作系统无关。而操作系统的线程受限于所在的操作系统,不同操作系统的线程管理机制可能有所差异。

联系:

  1. Java的线程最终会映射到操作系统的线程上。Java虚拟机通过调用操作系统提供的原生线程接口来创建和管理线程,从而实现Java线程的功能。

  2. 操作系统提供了底层的线程支持,包括线程的创建、调度、同步、销毁等操作。Java的线程是建立在操作系统提供的线程机制之上的,操作系统的线程支持为Java线程的实现提供了基础。

总的来说,Java的线程是建立在操作系统线程之上的,它们在抽象级别、调度管理和平台独立性等方面有所区别,但又通过底层的映射和调用联系在一起,共同实现了多线程编程的功能。

Go的管程

管程(Channel)是一种用于实现并发通信和同步的机制,它可以利用线程来实现并发控制。它提供了一种安全、简单和高效的方式,让不同的 goroutine(Go语言中的轻量级线程)之间可以进行数据的传递和共享。

管程的底层实现原理是基于**通道(Channel)和锁(Mutex)**机制的结合。在Go语言中,管程由编译器和运行时系统提供支持,主要包括以下几个方面的实现原理:

  1. 通道(Channel):

    • 通道是管程的核心组件,它用于实现不同 goroutine 之间的数据传递和同步。
    • 通道内部使用了线程安全的队列数据结构,用于存储和传递数据。
    • 通过通道的发送(send)和接收(receive)操作,可以实现阻塞和非阻塞的数据传递。
  2. 锁(Mutex):

    • 锁是管程的辅助机制,用于保护共享资源的访问。
    • 在管程中,可以使用锁来控制对共享资源的并发访问,避免数据冲突和竞态条件。
    • Go语言中的锁机制通常使用 sync 包中的互斥锁(Mutex)来实现。
  3. 运行时调度器:

    • Go语言的运行时系统负责协调和调度不同的 goroutine。
    • 运行时调度器会根据当前可用的 CPU 资源、goroutine 的优先级等因素,动态地分配和调度 goroutine 的执行。
    • 当一个 goroutine 在通道上进行发送或接收操作时,如果数据不可用或通道已满,运行时调度器会自动将其阻塞,并切换到其他可执行的 goroutine。
  4. 信号量控制:

    • 管程的实现还可以借助信号量(Semaphore)等机制来实现更复杂的同步和通信需求。
    • 通过使用信号量,可以在管程中实现互斥、条件等高级同步操作。

综上所述,管程的底层实现原理主要基于通道的机制。通道提供了安全的数据传递和同步,锁用于保护共享资源的访问。运行时调度器负责协调和调度不同的 goroutine,信号量则可以进一步扩展管程的功能。这些机制的结合使得管程能够提供安全、简洁和高效的并发编程方式。

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