初识多线程

1. 前置知识——进程

在学习多线程前需要了解操作系统中的基本知识，这里简单回顾下。

1.1 进程控制块

一个进程对应着一个进程控制块PCB，PCB是一个用于管理和维护进程信息的数据结构，这个数据结构中大致包含下面内容（并不完整）：

  1. 进程标识符PID：唯一标识进程的数值
  2. 进程分配的资源：如分配的内存（指向内存的指针）以及文件描述符表(该进程打开了什么文件)等
  3. 程序计数器：指向进程当前执行的指令的地址（由于进程需要经常被调度，因此需要寄存器记录该进程执行到哪了）

1.2 进程的五种状态

进程共有五种状态，它们分别为：

  1. 运行态：指进程上CPU运行的状态；
  2. 就绪态：指进程在就绪队列中等待CPU调度的状态；
  3. 阻塞态：指进程上CPU运行过程中，（由于某些原因）发现需要阻塞，知道满足条件后才能回到等待调度的状态；
  4. 创建态：操作系统为进程分配资源，创建PCB；
  5. 终止态：操作系统回收进程资源，撤销PCB；

状态间的关系如下：

Untitled Diagram.drawio.png

1.3 进程的调度

进程的调度是指一个进程由就绪态到运行态的过程，在引入多线程之前，调度的基本单元是进程，这里我们先了解一下进程的调度，以便后续了解多线程的调度。

我们可以把就绪队列简单的看作一个链式队列，就绪队列会根据PCB的优先级组织PCB，当CPU处于空闲状态的时候，调度器就会从就绪队列中取出PCB，此时进程就由就绪态转为运行态了。

image.png

在程序猿的视角中，调度器将进程由就绪态调度上CPU进行运行的过程是透明的，我们可以把这么一个过程看作调度器对就绪队列的进程的随机调度。

2. 线程的引入

引入线程后，调度的基本单位不再是进程，而是线程。也就是说前面我们讲到的进程的调度，此时基本单位是线程，也就是在

2.1 进程与线程的区别

  1. 一个进程可能包含一个或多个线程，而一个线程只能属于一个进程
  2. 每个进程都有独立的虚拟地址空间，也有自己独立的文件描述符，同一个进程的多个线程之间，则共用这一份虚拟地址空间和文件描述符表
  3. 进程是资源分配的基本单位，线程是调度的基本单位
  4. 一个进程挂了一般不会影响到其他进程，一个线程挂了很可能把整个进程带走，其他线程也就没了

2.2 为什么要使用多线程

为了提高CPU的资源利用率，可能会选择通过多进程以及多线程的方式来处理一段程序，然而在编程中为什么更加倾向于使用多线程呢，原因如下：

  1. 首先，由于进程的独立性，每个进程都有自己独立的虚拟地址空间，因此进程间进行通信的步骤较为麻烦；

  2. 更为重要的一点是创建进程需要涉及资源分配的工作，如分配内存空间以及创建文件描述符表，而同一个进程的多个线程共享资源，则省去了分配资源的步骤。

3. 第一个自定义线程

其实我们在程序开发的过程中早就涉及到多线程了：

public class Demo1 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("hello world");
    }
}

即使是一个最简单的hello world程序，其实在运行的时候也设计到“线程”了，虽然我们没有手动在上面的代码中创建其他线程，JVM内部也会创建出多个线程，如：主线程，垃圾扫描线程等。

3.1 定义线程

通过继承Thread的方式自定义一个线程，run方法中描述的是线程执行的具体任务：

class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("hello thread!");
    }
}

run方法描述的是线程的工作

3.2 创建线程

前面只是定义了一个线程需要完成的工作，我们需要在程序中实例化线程，并且调用它的start()方法才算是创建了一个线程：创建出线程的TCB，并加入到就绪队列中，参与调度。

public class Demo1 {

    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new MyThread();
        t.start();
        System.out.println("hello world!");
    }
}

运行结果：

hello world!
hello thread!

3.3 线程的随机调度

这里如果对调度器的随机调度理解不是很深，可能会提出一个疑问：明明我们是先调用了t.start()方法，为什么运行结果中先打印了hello world!呢？

线程中没有父线程和子线程的概念，多个线程涉及并发与并行，后续我们统称为并发：

  1. 并发指的是当cpu忙碌的时候轮流调用线程，一般是一个时间片结束的时候，将cpu中运行的线程放入就绪队列，然后再随机调度就绪队列中的线程
  2. 并行指的是多核cpu能同时进行运行多个线程

原因：前面我们讲到，创建线程后会将TCB添加到就绪队列中等待调度器调度，然而调度的过程是随机的，不可预知的。

我们在启动程序的时候就会有一个main线程，而当main进程在cpu中执行到t.start()语句后，会创建一个MyThread线程（在就绪态等待调度器调度），由于两个线程是并发的，因此打印的结果是随机的。

听了上面的解释，大家此时可能又有一个疑问：既然调度是随机的，为什么我执行了这么多次都是先打印的Hello world!

由于线程的创建是需要开销的，因此可能大家尝试了许多次都是先执行main线程中的语句，但谁也不能保证第n次运行程序的时候，顺序是否发生变化。

3.4 进程退出码

在console中不只打印了hello world!和hello thread!，还打印了一句：

Process finished with exit code 0

操作系统中用进程的退出码来表示“进程的运行状态”，而上面的code 0就是进程的退出码，在C语言阶段的main函数有一个return值，都是写作了return 0：

  • 使用0表示进程执行完毕，结果正确
  • 使用非0标识进程执行完毕，结果不正确
  • 如果还没有返回，表示进程此时正在运行
  • 进程崩溃，此时返回的值很可能是一个随机值

4. jconsole的使用

在jdk中，有一个叫jconsole的运行程序，通过该程序可以观察线程的基本信息以及调用方法栈，在多线程的开发中经常需要使用该工具来定位问题。

这里我们加上一个死循环观察线程的调度。

class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            System.out.println("hello thread!");
        }
    }
}

public class Demo1 {

    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new MyThread();
        t.start();
        while (true) {
            System.out.println("hello world!");
        }
    }
}

找到自己jdk的位置，并打开jconsole（如果是windows，需以管理员身份打开），我的系统是macos，位于jdk目录下的：jdk-1.8.jdk/Contents/Home/bin/jconsole：

在这里可以看到java的所有进程，由于我的启动类名为Demo1，因此直接连接thread.Demo1

image.png

直接点击不安全的连接：

image.png

重点关注这两个线程，分别为main线程，和我们刚才自定义的线程。

image.png

在列表的右边显示的就是当前线程的信息，上半部分为线程信息，下半部分为线程的函数调用栈，线程信息的内容如下：

  1. 线程名称Name(程序员可在创建时自定义)
  2. 状态State：此时状态为阻塞blocked，原因是main此时在使用打印机，因此被main线程阻塞
  3. 总阻塞次数

5. 创建线程的常见方式

  1. 创建一个类继承Thread，重写run，前面已经用过，不多赘述

  2. 创建一个类，实现runnable接口，重写run

    此时Runnable相当于定义了一个任务，还是需要实例化Thread实例，把任务交给Thread，这个写法，线程和任务是分开的，可以更好地解耦合。

//实现runnable接口
class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            System.out.println("hello thread!");
        }
    }
}
public class Demo2 {
    public static void main(String[] args) {
        MyRunnable runnable = new MyRunnable();
        Thread thread = new Thread(runnable);
        //创建线程
        thread.start();
        while (true) {
            System.out.println("hello world!");
        }
    }
}
  1. 匿名内部类(Thread)
public class Demo3 {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                while (true) {
                    System.out.println("hello thread!");
                }
            }
        };
        thread.start();
        
        while (true) {
            System.out.println("hello world!");
        }
    }
}
  1. 匿名内部类(Runnable)
public class Demo4 {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                while (true) {
                    System.out.println("hello thread");
                }
            }
        });

        thread.start();

        while (true) {
            System.out.println("hello world");
        }
    }
}
  1. [推荐]lambda表达式为方式4的简化版
public class Demo5 {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            while (true) {
                System.out.println("hello thread!");
            }
        });
        thread.start();
        while (true) {
            System.out.println("hello world");
        }
    }
}

6. 性能对比

对比单线程和双线程的情况下，变量自增20亿次所耗费时间

单线程：

public class Demo6 {
    private static final long COUNT = 10_0000_0000;
    private static void serial() {
        long begin = System.currentTimeMillis();

        int a = 0;
        for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
            a++;
        }
        a = 0;
        for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
            a++;
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("共花费了" + (end - begin) + "ms");
    }

    public static void main(String[] args) {
        serial();
    }
}

多线程：这里需要用到join()方法来保证两个线程执行完毕才计时，并且该方法可能抛中断异常InterruptedException（当线程运行中断时会触发的异常）

private static void concurrency() {
    long begin = System.currentTimeMillis();
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
            int a = 0;
            a++;
        }
    });
    Thread t2 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
            int a = 0;
            a++;
        }
    });
    t1.start();
    t2.start();

    try {
        //使用join方法，保证等待t1,t2两个线程执行完毕
        t1.join();
        t2.join();
    } catch (InterruptedException e) {
        throw new RuntimeException(e);
    }
    long end = System.currentTimeMillis();
    System.out.println("共花费了" + (end - begin) + "ms");
}

public static void main(String[] args) {
    concurrency();
}

在我的机器上，单线程的耗费时间大概在1500～1600ms区间，双线程的耗费时间大概在900～1000ms区间。

由此可见线程虽说可以提高效率，但并不是预想中的双线程就将性能提高两倍左右，因为多线程的场景涉及创建线程以及频繁的调度线程的开销。

7. 多线程的使用场景

  1. CPU密集型场景：代码中大部分工作都是在使用CPU进行运算（比如反复++的操作），使用多线程可以更好的利用CPU多个核心并行计算资源，从而提高效率。
  2. I/O密集型场景：读写磁盘，读写网卡这些操作都属于I/O，当线程在运行时遇到I/O操作就会由运行态转为阻塞态，串性执行程序的话，此时CPU就会处于空闲的状态，引入多线程可以避免CPU过于闲置。

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