Java【多线程】（1）进程与线程

1.前言

2.正文

2.1什么是进程

2.2PCB（进程控制块）

2.2.1进程id

2.2.2内存指针

2.2.3文件描述符表

2.2.4进程状态

2.2.4.1就绪状态

2.2.4.2阻塞状态

2.2.5进程优先级

2.2.6进程上下文

2.2.7进程的记账信息

2.3CPU操作进程的方法

2.4什么是线程

2.4.1进程与线程

2.4.2线程资源分布

2.5简单实现线程

2.5.1Thread类

2.5.2Runnable接口

2.5.2区分start和run

2.5.3查看线程

3.小结

1.前言

哈喽大家好吖，今天来给大家分享这一段时间刚上手的Java多线程的学习，多线程在以后实际项目开发中是一个十分核心的内容，需要认真学习并加以掌握，刚上手概念比较多，希望大家沉下心来慢慢学习，那么让我们开始这一部分的学习吧。

2.正文

在介绍线程之前，需要先讲解以下进程相关的概念，进程与线程之间息息相关，并且以后面试的时候会对这部分的原理内容进行考察。

2.1什么是进程

进程（Process） 是计算机中执行的程序的实例。它是操作系统分配资源和调度的基本单位。进程不仅包含程序代码本身，还包括程序执行时所需的资源和环境。每个进程都有独立的内存空间、寄存器、堆栈、程序计数器等，它们使进程能够在多任务操作系统中并发执行而不互相干扰。

如何在电脑上查看进程呢，其实很简单，打开任务管理器：

可以看到这里就标记着进程，当我们点到任务管理器详细信息一栏时，每一个进程的相关信息都会展示出来，这里先大概感知一下进程到底是什么。

2.2PCB（进程控制块）

操作系统通过管理进程来实现多任务操作，每个进程在操作系统中都有一个对应的进程控制块（PCB），用于存储进程的状态、程序计数器、寄存器等信息。当发生上下文切换时，操作系统会保存当前进程的状态，加载另一个进程的状态，从而实现进程间的切换。

下面是PCB的相关属性：

2.2.1进程id

PCB中的进程ID（Process ID，PID） 是操作系统用来唯一标识进程的一个标识符。每个进程在操作系统中都有一个独一无二的PID，它用于区分不同的进程并在进程管理中进行调度、监控和资源分配。

特点：

唯一性
每个进程都有一个唯一的PID，操作系统保证同一时刻不会有两个进程拥有相同的PID。

生命周期
当一个进程创建时，操作系统为其分配一个PID；当进程终止时，PID被释放，操作系统可以将其分配给新的进程。

2.2.2内存指针

内存指针（Memory Pointer）是一个重要的字段，用于保存与进程相关的内存管理信息。这个指针帮助操作系统追踪进程使用的内存区域，包括代码、数据、堆栈等。

内存指针都指向什么，都有什么作用呢：

如果这个指针存储进程执行的代码，那么会使CPU能够正确地加载和执行指令。
如果这个指针指向数据段，那么会使操作系统在运行时管理数据的访问。

2.2.3文件描述符表

文件描述符表是一个非常重要的字段，它用来管理进程与操作系统中文件的关系。文件描述符表存储着进程打开的文件的相关信息，每个文件在操作系统中都有一个唯一的标识符——文件描述符。这些文件描述符用于指代进程当前使用的文件资源，并为操作系统提供对这些文件的管理和访问。

作用：

文件描述符表用于将进程与打开的文件建立关联。当一个进程打开文件时，操作系统会为该文件分配一个文件描述符，并将其存储在进程的文件描述符表中。这个描述符使进程能够通过标识符访问文件，而不需要知道文件的具体位置或物理存储，类似于一个特殊的指针

文件描述符表中的每个条目对应一个打开的文件，操作系统可以根据文件描述符来执行文件的读写、关闭、定位等操作。

2.2.4进程状态

PCB中同样存储着当前进程的状态，下面那是俩个常见重要的进程状态。

2.2.4.1就绪状态

进程已经准备好运行，但由于CPU正在执行其他进程，因此处于等待中。操作系统将进程放入就绪队列，等待调度器选择该进程进行执行。此时进程的所有资源（除了CPU）都已分配好。

2.2.4.2阻塞状态

进程由于某些原因无法继续执行，此时进程不再占用CPU，而是处于阻塞状态。阻塞状态的进程会被移出CPU，直到它等待的条件满足时才会变为就绪状态。

2.2.5进程优先级

进程的优先级是操作系统用来决定不同进程执行顺序的重要标准。它指示了一个进程相对于其他进程的重要性，系统会优先选择优先级高的进程进行执行。但其实在真正执行时，优先顺序并不是定量的谁一定先执行谁一定后执行，而是一种定型的。

同样，某个进程的优先级也可以在任务管理器进行设置，但不知道为什么博主截不了图，右键单机进程就会有这个选项啦。

2.2.6进程上下文

进程的上下文指的是操作系统在切换进程时需要保存和恢复的信息。每个进程在运行时都有自己的执行状态，这些状态决定了进程如何继续执行。操作系统通过上下文切换在不同进程之间进行切换时，保存并恢复这些信息。每次切换时必须保存和恢复这些信息，以确保每个进程能够从中断的地方继续执行。

2.2.7进程的记账信息

统计每个进程在CPU上执行了多久。如果该进程长时间没分配到CPU资源，就会给这个进程倾斜一些CPU资源。

2.3CPU操作进程的方法

现在的电脑的CPU一般都有四核，八核，十六核，但我们打开任务管理器发现有成百上千个进程，那么电脑是如何同时操作这么多进程呢。

答案就是CPU对进程的操作的模式时分时复用：

分时复用：操作系统将CPU的时间分成若干个时间片，若一个进程的时间片用完了，操作系统会把CPU控制权交给下一个进程，保证多个进程交替执行。

现代CPU的执行模式：

并行执行：

多个核同时处理多个进程

并发执行：

单个核按照分时复用的原则处理多个进程

2.4什么是线程

线程是操作系统调度的最小单位，是进程（程序运行的实例）中的一个执行单元。一个进程可以包含一个或多个线程，线程共享进程的资源（如内存、文件句柄），但每个线程都有自己的独立执行路径、寄存器和栈空间。

当然我们没有办法直接看到线程，得通过一些工具才能查看。

2.4.1进程与线程

让我们区分以下进程和线程并分析以下他们之间的联系：

进程是线程的容器：一个进程可以包含一个或多个线程。线程依赖进程的存在，无法独立于进程运行。
线程是进程的组成部分：线程负责在进程的上下文中执行代码，一个进程至少有一个主线程，用于启动和管理程序的运行。
进程的生命周期包含线程的生命周期：当一个进程终止时，其所有线程也会终止。线程的存在和生命周期完全依附于所在进程。

2.4.2线程资源分布

类似于进程，线程也有其对应的属性：

线程是进程中的执行单元，多个线程共享进程的资源，如内存空间、文件描述符等

但每个线程也有独立的资源，包括栈、程序计数器和寄存器。操作系统通过合理的资源分配和调度机制，确保多线程程序高效、安全地执行。

2.5简单实现线程

创建线程主要有俩种方式，一种是继承Thread类，另一种是Runnable的接口，下文详解。

2.5.1Thread类

操作步骤：

创建一个类并继承Thread类。
重写Thread类的run()方法，将线程执行的具体任务写在run()方法中。
创建线程对象并调用start()方法启动线程。

static class myThread extends Thread{
        @Override
        public void run() {
            System.out.println(("线程已执行"));
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        myThread myThread1 = new myThread();
        myThread1.run();
    }

2.5.2Runnable接口

操作步骤：

创建一个类并实现Runnable接口。
重写Runnable接口中的run()方法，将线程任务写在该方法中。
创建一个Thread对象，将实现了Runnable接口的实例作为参数传递给Thread构造方法。
调用Thread对象的start()方法启动线程。

static class myRunable implements Runnable{
        @Override
        public void run() {
            while(true){
                System.out.println("线程正在被执行");
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        myRunable myRunable1 = new myRunable();
        Thread thread = new Thread(myRunable1);
        thread.start();

        while(true){
            System.out.println("主函数正在被执行");
        }
    }

我们可以发现此时俩个线程，一个是主函数的，另一个是新创立的，在交替执行。

2.5.2区分start和run

这里可能有细心的小伙伴们观察出来，第一个我们用了run方法，第二个我们用了start方法，那么这俩种方法有什么区别吗：

start()方法

用于启动一个新的线程。
它会调用线程的底层实现，告诉JVM创建一个新的线程。
然后，新线程会自动调用run()方法中定义的逻辑。
start()使线程并发执行。

run()方法

是线程要执行的任务逻辑。
如果直接调用run()方法，并不会创建新线程，而是由当前线程执行它。
相当于普通的同步方法调用。