【多线程】初识多线程

客官°小女子只卖身不卖艺 2024-03-27 14:06 11阅读 0赞

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## 1. 为什么要学习多线程？ ##

首先相信各位小伙伴在学习 JavaSE 的时候，肯定写过一些小游戏吧，比如猜数字，关机小程序...但是如果现在要在猜数字小游戏上面加上一个功能，设定20秒没猜中，就判定游戏失败，那么请问，以没学过多线程的角度来看，你要如何增加这样的一个计时功能呢？即一遍玩游戏，一边计时。

上述只是方便各位理解多线程，**本质多线程的意义就是能充分利用 CPU 的多核资源，解决并发编程的问题！**

现在市面上买到笔记本所配的CPU，比如是八核十六线程，这里是指该 CPU 有八个物理核心，而每个物理核心上又虚拟了两个逻辑核心(超线程技术)，对应的就是十六个线程，所以通过设备管理器会显示出十六个核心，一个线程对应一个核心(逻辑核心)。

**所以上述说到的十六个线程指CPU最多可以同时有十六个线程处理任务！**

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## 2. 进程的认识 ##

### 2.1 进程与线程的关系 ###

相信大家都有打开过自己电脑的任务管理器，里面可以发现运行着各种软件，我们认为一个跑起来的程序，就是一个进程，**进程与线程是包含的关系，一个进程中可以有多个线程！**

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其实也有很多软件是采用多进程实现并发编程的，比如谷歌浏览器，每打开一个页面就打开了一个进程，为什么可以采取多进程实现并发编程，但是还要使用多线程呢？

**这里给各位小伙伴举个例子，相信大家就很容易理解了：**

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如果说，篮球哥火了，最近篮球的订单量特别大，一个工厂的生产线都已经忙不过来了，于是我的贴心助手给了我两套解决方案：

**第一套方案：**

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**这是第一种解决方案，就是让我再租个地，在建一个工厂，搞一套机器设备。**

显然呀，这又要去租个新的地了，又要盖工厂，还得有一套新的物流体系，哎呀，这真的是又费钱又费力气呀，于是我摇摇头，这不行，换方案！**其实上述这样的方案，就类似于多进程！**

**第二套方案：**

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**这是第二种解决方案，再原有的工厂内部，再开辟一条生产流水线。**

此时场地和物流体系，是不是就可以复用原来场子的呀，也不用再去租场地建厂子了，共用一个场子就好了！很明显第二种解决方案，成本上比第一种小很多！

**根据上述的例子，就可以把篮球哥的工厂想象成进程，工厂里的生产流水线想象成线程！**

> 总结：  
> 一个进程最少包含一个线程，也可以包含多个线程，同一个进程里的多个线程之间，共用了同一份资源(主要是 内存 和 文件描述符表) 比如：在线程1 new 的对象，线程2，线程3都可以使用，在线程1打打开的文件，线程2，线程3都可以使用。

**接着回答上面的问题，能使用多进程编程，为什么还要用线程？**

其实上述举的例子也能清晰说明，创建一个进程开销是很大的！建工厂，搞生产线，弄一套物流...而创建线程只需要在原有的进程里开辟，比如只用在原来工厂多搞一套生产线即可。

销毁进程开销也很大呀！假如篮球哥不火了，订单变小了，只需要一个厂生产了，另一个厂就得销毁掉，还得拆物流，拆生产线，拆工厂，而如果是一个工厂有两套流水线，只需要拆其中一套流水线即可。

对于CPU来说，调度进程开销也比较大(后续讲解)

有了上述的情况线程就应运而生了，线程也叫做轻量级进程，这样的出现，在解决并发编程问题的前提下，让创建，销毁，调度的速度更快！

### 2.2 进程间如何通信？ ###

针对进程使用的内存空间，进行了 "隔离"，即引入了虚拟地址空间，代码里不在直接使用真实的物理地址了，而是使用虚拟的地址，由操作系统和专门的硬件负责进行虚拟地址到物理地址的转换。主要目的是为了防止进程1内存越界，影响到线程2的运行，这里我们简单了解，不深入讨论。

虽然有了进程隔离，但还是会引入新的问题，有些时候，不同的进程之间，需要进行数据的交互，这就涉及到进程之间如何通信呢？

其实是在隔离的基础上，开了个口子，搞一个多个进程都能访问到的 "公共空间"，基于这个空间来进行交互数据即可，我们后续主要讲述：基于文件交互，基于网络交互。现在简单了解下即可。

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## 3. 计算机如何描述进程的？ ##

### 3.1 概述 ###

**进程是一个重要的软件资源，是由操作系统内核负责管理的。**

**使用了结构体(C语言的结构体)来描述了进程的属性**，对于这个描述进程属性的结构体有一个名字，叫做 PCB(进程控制块)，每个线程也对应一个 PCB！所以一个进程中可以有多个线程，也就是多个 PCB！

如何把这些PCB管理起来呢？**用一个类似于双向链表的结构，把多个 PCB 给串到一起。**

> 创建一个进程，本质就是创建一个 PCB，给插入到链表中  
> 销毁一个进程，本质就是把链表上的 PCB 节点给删除掉  
> 通过任务管理器看到的进程列表，本质就是遍历这个 PCB 链表

**注意：**一个进程里可以有多个线程，每个线程对应一个PCB，但是这些 PCB 并不是完全独立的，而是有共享的部分，比如一个进程里的多个 PCB 之间，pid是一样的(表示这个进程唯一标识)，内存指针和文件描述符表也是一样的！

**那么现在我们就要了解 PCB 包含了哪些描述进程的特征！**

### 3.2 PCB 是如何描述进程的？ ###

#### 3.2.1 pid ####

pid 这个是进程里身份唯一的标识符，虽然一个进程里有多个线程，而这每个线程都对应一个 PCB 但是这些 PCB 的pid 都是一样的！用来标识这些线程是属于哪个进程的，也是这个进程的唯一标识符！

#### 3.2.2 内存指针 ####

内存指针，指向了该进程占用的内存是哪些，同理，虽然一个进程里包含多个线程，但是多个线程共享都是进程的资源，也就是利用了同一块内存，所以一个进程中线程对应PCB里内存指针，也是一样的！

#### 3.3.3 文件描述符表 ####

文件描述符表，表示打开的硬盘上的文件等其他资源，比如打开一个 .txt 文件，也就会对应在文件描述符表上新增一个表项(类似于数组的结构)，后续学到的网络编程，也会被当成文件，也会在文件描述符表上申请表项，跟详细内容在文件 IO 章节讲解。

#### 3.3.4 进程调度相关属性（下述属性每个线程都有自己的） ####

**线程的状态：**

就绪状态：随叫随到，线程随时准备去 CPU 上执行

运行状态：正在 CPU 上执行的，很多操作系统，不会明确区分就绪和运行状态

阻塞状态：短时间内无法到CPU上运行了(后续文章会详细讲解)

**优先级：**

先让哪个线程在 CPU 上运行，后让哪个线程在 CPU 上运行，这也是有一定的优先级的，操作系统进线程调度的时候并不是很公平的。

**上下文：**

操作系统在进行线程谢欢的时候，就需要把进程执行的"中间状态"记录下来，保存好，下次这个线程再到 CPU 上去运行的时候，就可以恢复上次的状态，继续往下执行，本质上可以理解为 "存档和读档"，就是 CPU 中各个寄存器的值，**保存上下文，就是把这些 CPU 寄存器的值记录保存到内存中(PCB)，回复上下文，就是把内存中这些寄存器的值恢复回去。**

**记账信息：**

操作系统，统计每个线程在 CPU 上占用的时间和执行的指令数目，根据这个来决定下一阶段如何调度。

#### 3.3.5 总结 ####

PCB 这里包含的属性是非常多的，不止我们上面所说的 pid，内存指针，文件描述符表，调度相关属性，还有其他内容，上述内容只是一些核心的属性，对于我们程序猿来说，了解以上属性已经是差不多了。

**但是从调度相关属性开始，就有些小伙伴看不明白了，什么是调度？**

## 4. 线程的调度 ##

如何理解调度？从字面理解，你的领导将把你从北京公司调度到上海分公司去，而在 CPU 中，调度就是把一个线程拿到 CPU 核心上执行任务！

**进程是 CPU 资源分配的最小单位，而线程是 CPU 调度的最小单位！**

要了解线程的调度，首先要知道两个概念，并行和并发：

**并行：**简单来说，两个线程在 CPU 的两个核心上运行

**并发：**简单来说，两个线程在一个 CPU 核心上运行，对两个线程进行快速切换

**并行好理解，并发可能就不太好理解了！**

举个例子，张三喜欢打游戏，突然女朋友给打电话了，此时张三的脑子里就有两个信号，第一个处理游戏，第二个处理女朋友的电话，可是既不能放下游戏，也不能挂掉女朋友电话呀，于是张三就一边打游戏，一边接电话，只要张三脑子在游戏电话这两个任务中切换的够快，不错过游戏的内容，也不错过女朋友的电话内容，此时就能做到无缝衔接！

放在 CPU 中，先运行一下QQ音乐，再运行一下再运行下画图板，再运行一下QQ音乐，再运行画图板，只要切换的速度足够快(3.2GHz，每秒约运行32亿条指令)，从我们的角度看是感知不到了，看起来好像是这几个线程再同时运行。

**有了上面的理解，因此往往把并行和并发统称为并发，除非显式声明，否则后续我们说到的并发都是 并行+并发**

问题来了，CPU 的核心数有限，如果一个核心上并发运行多个线程，虽然我们知道是进行快速的切换，但是他们是随机切换的！也就是 **CPU 是随机调度的，线程是抢占式执行的**！这一点后续内容会用代码给大家验证！此处大家了解即可。

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## 5. 线程的缺点 ##

前面我们谈到，一个进程中可以有多个线程，就如同我们上述举的工厂的例子有两条生产线，现在假设要生产 100 个篮球，一条生产线生产一个篮球需要花 2 个小时，那么 100 个篮球就需要花 200 个小时，如果是两条生产线，大概只需要花 100 个小时左右，那是不是生产线越多就越好呢？工厂能不能放下那么多生产线呢？

**到这里问题来了，进程中的线程是不是也是越多越好呢？这里通过一个形象的例子来演示：**

滑稽老铁今天过生日，喊了自己的一个好哥们一起吃蛋糕：

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**注意：上述情况房子就像进程，里面有多个线程，共享这个蛋糕的资源，两个人吃蛋糕可能绰绰有余，速度也不快不慢，但是我们往后看：**

这时候另一个滑稽老铁说，就咱们俩个人啊，一点气氛都没有，蛋糕那么大，吃都吃不完！能不能多喊几个人来啊？这样才不会浪费蛋糕呀！而且要是能把俺暗恋的对象也喊来该多好！

**于是滑稽老铁说，你想要气氛对吧，那俺就把咱的好兄弟都喊过来！**

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此时滑稽越多，是不是吃蛋糕的速度就越快呢？并不是，桌子旁边的位置是有限的，就好比 CPU 的核心数也是有限的，如果滑稽老铁太多了(线程)，就会导致正在吃蛋糕的老铁没办法安心吃，一般一张桌子只能坐 12 个人，难不成一个人吃一口就换另一个人上来吃吗？这样的开销反而浪费在了 "换人吃蛋糕" 这个时间上，就好比如开销浪费在线程调度上了。

此时还有一个问题，一个滑稽老铁吃了一口下来了，空的这个座位有两个滑稽都想坐上去，可能就会打起来，谁也让着谁，会引发线程安全问题，也就是线程不安全！

更有一个特殊的情况，两个滑稽老铁争蛋糕上仅一份的巧克力，滑稽1把巧克力给抢走了！滑稽2抢不到巧克力就生气！拿起蛋糕往滑稽1脸上拍。

也就是如果一个线程抛异常处理的不好，很有可能把整个进程给带走了，其他老铁都吃不成蛋糕了，其他线程也就挂了！

> **总结：**  
> 线程模型，天然就是资源共享的，多个线程争抢同一个资源，容易有线程安全问题。  
> 进程模型，天然是资源隔离的，很少有线程安全问题，进程之间通信，如果多个进程访问公共资源，才可能会出现线程安全问题。

本期只是简单带大家认识下多线程和进程，更多的是理论概念，后续博主则会根据代码实例，来进一步带大家走进多线程编程！

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**下期预告【多线程】Thread类**

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