Java-宋红康-（课P132)-多线程的概念

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目录

1.1 概述

1.2 程序、进程与线程

1.3 进程与线程的关系

1.4 线程调度

1.5 多线程程序的优点

1.6 补充概念-单核CPU和多核CPU

1.1 概述

我们在之前，学习的程序在没有跳转语句的前提下，都是由上至下依次执行，那现在想要设计一个程序，边打游戏边听歌，怎么设计？

要解决上述问题,咱们得使用多进程或者多线程来解决。

1.2 程序、进程与线程

1. 程序（program)

为完成特定任务，用某种语言编写的一组指令的集合。即指一段静态的代码，静态对象。

2. 进程(process)

程序的一次执行过程，或是正在内存中运行的应用程序。如：运行中的QQ,运行中的网易音乐播放器。

• 每个进程都有一个独立的内存空间，系统运行一个程序即是一个进程从创建、运行到消亡的过程。（生命周期）

• 程序是静态的，进程是动态的

• 进程作为操作系统调度和分配资源的最小单位（亦是系统运行程序的基本单位），系统在运行时会为每个进程分配不同的内存区域。

• 现代的操作系统，大都是支持多线程的，支持同时运行多个程序。比如：现在我们上课一边使用编辑器，一边使用录屏软件，同时还开着画图板，dos窗口等软件。

注意：

不同的进程之间是不共享内存的

进程之间的数据交换和通信的成本很高。

3. 线程

进程可进一步细化为线程，是程序内部的一条执行路径。一个进程中至少有一个线程。

• 一个进程同一时间若并行执行多个线程，就是支持多线程的。

• 线程作为CPU调度和执行的最小单位

一个正在运行的软件（如迅雷）就是一个进程，一个进程可以同时运行多个任务（迅雷软件可以同时下载多个文件，每个下载任务就是一个线程），可以简单的认为进程就是线程的集合。

线程是一条可以执行的路径：

• 对于单核CPU而言：多线程就是一个CPU在来回的切换，在交替执行。

• 对于多核CPU而言：多线程就是同时有多条执行路径在同时（并行）执行，每个核执行一个线程，多个核就有可能一块同时执行。

1.3 进程与线程的关系

一个程序就是一个进程，而一个程序中的多个任务则被称为线程。进程是表示资源分配的基本单位，又是调度执行的基本单位，即执行处理及调度的基本单位。

进程和线程的关系：

• 一个线程只能属于一个进程，而一个进程可以有多个线程，但至少有一个线程。线程是操作系统可识别的最小执行和调度单位。

• 资源分配给进程，同一进程的所有线程共享该进程的所有资源。同一进程中的多个线程共享代码段（代码和常量），数据段（全局变量和静态变量），扩展段（堆存储）。但是每个线程拥有自己的栈段，栈段又叫运行时段，用来存放所有局部变量和临时变量，即每个线程都有自己的堆栈和局部变量。

• 处理机分给线程，即真正在处理机上运行的是线程。

• 线程在执行过程，需要协作同步。不同进程的线程间要利用消息通信的办法实现同步

如果把上课的过程比作进程，把老师比作CPU,那么可以把每个学生比作每个线程，所有学生共享这个教室（也就是所有线程共享进程的资源），上课时学生A向老师提出问题，老师对A进行解答，此时可能会有学生B对老师的解答不懂会提出B的疑问（注意：此时可能老师还没有对A同学的问题解答完毕），此时老师又向学生B解惑，解释完之后又继续回答学生A的问题，同一时刻老师只能向一个学生回答问题（即：当多个线程在运行时，同一个CPU在某一个时刻只能服务于一个线程，可能一个线程分配一点时间，时间到了就轮到了其他线程执行了，这样多个线程在来回的切换）

1.4 线程调度

• 分时调度

所有线程轮流使用 CPU 的使用权，并且平均分配每个线程占用 CPU 的时间。

• 抢占式调度

让优先级高的线程以较大的概率优先使用 CPU。如果线程的优先级相同，那么会随机选择一个(线程随机性)，Java使用的为抢占式调度。

1.5 多线程程序的优点

背景：以单核CPU为例，只使用单个线程先后完成多个任务（调用多个方法），肯定比用多个线程来完成用的时间更短，为何仍需多线程呢？

多线程程序的优点：

1. 提高应用程序的响应。对图形化界面更有意义，可增强用户体验。

2. 提高计算机系统CPU的利用率

3. 改善程序结构。将既长又复杂的进程分为多个线程，独立运行，利于理解和修改

1.6 补充概念-单核CPU和多核CPU

单核CPU，在一个时间单元内，只能执行一个线程的任务。例如，可以把CPU看成是医院的医生诊室，在一定时间内只能给一个病人诊断治疗。所以单核CPU就是，代码经过前面一系列的前导操作（类似于医院挂号，比如有10个窗口挂号），然后到cpu处执行时发现，就只有一个CPU（对应一个医生），大家排队执行。

这时候想要提升系统性能，只有两个办法，要么提升CPU性能（让医生看病快点），要么多加几个CPU（多整几个医生），即为多核的CPU。

问题：多核的效率是单核的倍数吗？譬如4核A53的cpu，性能是单核A53的4倍吗？理论上是，但是实际不可能，至少有两方面的损耗。

• 一个是多个核心的其他共用资源限制。譬如，4核CPU对应的内存、cache、寄存器并没有同步扩充4倍。这就好像医院一样，1个医生换4个医生，但是做B超检查的还是一台机器，性能瓶颈就从医生转到B超检查了。

• 另一个是多核CPU之间的协调管理损耗。譬如多个核心同时运行两个相关的任务，需要考虑任务同步，这也需要消耗额外性能。好比公司工作，一个人的时候至少不用开会浪费时间，自己跟自己商量就行了。两个人就要开会同步工作，协调分配，所以工作效率绝对不可能达到2倍。

**注意：**下面内容为了解知识点

1. 因为一个进程中的多个线程是并发运行的，那么从微观角度看也是有先后顺序的，哪个线程执行完全取决于 CPU 的调度，程序员是干涉不了的。而这也就造成的多线程的随机性。

2. Java 程序的进程里面至少包含两个线程，主进程也就是 main()方法线程，另外一个是垃圾回收机制线程。每当使用 java 命令执行一个类时，实际上都会启动一个 JVM，每一个 JVM 实际上就是在操作系统中启动了一个线程，java 本身具备了垃圾的收集机制，所以在 Java 运行时至少会启动两个线程。

3. 由于创建一个线程的开销比创建一个进程的开销小的多，那么我们在开发多任务运行的时候，通常考虑创建多线程，而不是创建多进程。