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简介
基于慕课网站上的一个一元钱课程《2 小时搞定多线程》的 集体笔记。
线程的起源
咱们先来看看网络中对于线程起源的阐明，了解线程的前因后果对于把握多线程有肯定帮忙。
此局部内容整顿自上面两篇网络博客：
- # 线程是什么
- # 线程的起源
线程的起源与计算机的倒退非亲非故。晚期的计算机系统是 单指令模式 ，资源利用效率低下。当批处理模式即计算机的 多指令模式 呈现后，计算机资源利用率失去无效晋升，但这种模式又常常导致 CPU 陷入期待状态 ，无奈失去充分利用，于是 过程呈现 了。
当用户对计算机收回一系列操作指令时，每个过程会将不同的操作储存起来，随时进行切换。然而 过程的指令执行效率依然不够快，无奈在同一时刻执行多个工作。为了解决这一问题，技术人员又创造了线程。
有了线程当前，每个操作指令对应的工作都可能被划分为多个 子工作 ，由每一个独自的线程负责，而不同的线程能够 同时运行，这样计算机的运行效率便失去进一步晋升。
咱们能够把下面的几段内容做一个概括：
- 单指令模式（相似计算器）。
- 多指令模式（批处理）。
- 批处理存在 CPU 期待状况，过程诞生。
- 过程指令运行效率不满足需要，为了解决多任务线程诞生。
咱们会发现这里存在一些不太分明的概念，单指令是什么？多指令模式又是什么？为什么批处理存在 CPU 期待状况等等 ….. 上面咱们至上而下进行简略剖析。
单指令模式（相似计算器）
在计算机诞生的最晚期，计算机属于政府和一些大型公司才有的”低廉“仪器，受制各种因素限度，过后计算机只能实现一些相似”1+1“的指令操作，并且要实现这样的操作须要用户把程序写入到打孔卡（能够看作最晚期的存储设备）并由专门操作人员实现执行，整个过程十分繁琐。
受这样的工作模式限度，不论来多少个用户进行输出，也只能期待计算机管理人员拿到”指令“（物理意义上）实现执行。在”拿指令“和”执行“的间隙，整个计算机都是闲暇不干活的，资源利用率极低。
多指令模式（批处理）
随着 CPU 的执行效率晋升以及对 CPU 资源利用率的要求晋升，计算机管理员逐步成为执行瓶颈，由此诞生了多指令模式。多指令模式相似饭店点餐一次性下多个指令批量实现。为此人们设计了对应的批处理操作系统，由它代替计算机管理员实现工作的执行切换工作，
批处理能够挨个执行多个指令，此时咱们能够把整个计算机本身类比为”单过程“操作，所以批处理在某些状况下仍然存在”闲置“的状况，比方 4 条指令中第 3 条须要拜访 IO 设施，此时第 4 条指令哪怕和第 3 条没有任何关系也仍然须要期待。
过程诞生
以上的工作模式被叫做”单道批处理操作系统 “，前面为了解决期待问题，人们又设计了 多道批处理操作系统（也叫多任务操作系统），它的改良劣势如下：
- 内存划分多个区域，每个区域存储一个程序。
- 程序执行 I/O 操作时，操作系统会将 CPU 资源分配给其它期待执行的程序。
由此”过程“的根底概念便诞生了，过程就是执行中的应用程序，操作系统会为每个过程调配独立的内存、空间和所须要的资源（IO 设施，文件等）。
线程诞生
然而随着计算机软硬件的倒退，人们发现像过程这种”指挥军队“的粒度代价很高并且难以管制，前面又提出了线程的概念。
过程调度的一些问题：
- 过程切换开销大。
- 过程占用空间是独立的，实现过程通信难度很大。
- 单个过程自身执行相似 IO 操作仍然会呈现期待状况。（只不过此时能够切换到其余过程）
至此咱们简略梳理了单指令模式到线程诞生的全过程。
线程和过程的关系
线程蕴含于过程当中，过程是线程的汇合。
当操作系统运行时，至多有一个过程会启动，而这个过程中往往蕴含了多个线程。
线程和过程的区别
相同点 如下：
两者都生命周期是由一样的，线程会随着过程完结而一起完结。
不同点 如下：
- 起源不同：先有过程后有线程，晚期 CPU 为了跟上内部操作，后续呈现线程的概念来提高效率。
- 概念不同：线程是 CPU 调度的 最小单位 ，而过程是操作系统调度程序的 独立单位。
- 作用域不同：通常线程存在 共享 区域，然而在过程和过程之间内容 不共享（除非应用相似 IPC 伎俩进行过程通信）。
-
开销不同：过程之间通信须要内核辅助创立开销绝对较大，而线程通信创立线程的开销很小。
- 线程创立终止工夫比过程短。
- 同一个过程内线程切换工夫比过程短。
- 同一个过程内线程能够相互共享文件资源和内存，并且不依赖内核就能够实现。
- 领有资源不同，线程在领有过程大部分根本资源之外还有独立的内容。
- 数量不同：同一个过程通常只有一个，而每个过程至多有一个线程。
这里强调一下领有资源不同的含意，线程共享内容 包含：
- 过程代码段。
- 过程私有资源（线程能够利用过程的共享资源简略通信）。
- 过程关上的文件描述符。
- 信号处理器。
- 过程当前目录。
- 过程 ID 过程组 ID
线程独有内容包含：
- 寄存器的值
- 线程 ID
- 线程名称
- 线程堆栈
- 谬误返回号码
- 线程信号屏蔽码
Java 和 多线程
为了投合时代需要，Java 自诞生之初就人造反对多线程，Java 的多线程实现是和内核线程一对一映射。
Jvm 人造多线程验证
Jvm 启动须要主动开启一些后盾线程维持工作：
- Finalize 线程：解决局部对象的 finalize 操作。高版本 jdk 曾经弃用此实现
- Single signature：接管操作系统的信号量来进行一些操作，比方 Kill 的信号量接管强制关闭程序。
- main 线程：也叫主线程，其余用户创立的线程都都叫做子线程
- reference gc：垃圾回收线程，对象清理工作
为了证实下面的实践，咱们能够通过 IDEA 进行调试来验证答案。
首先咱们通过 IDEA 编写一个 HelloWorld 程序，当然为了不便这里集体间接拿了 SpringBoot 的 Main 启动代码进行验证。
public class InterviewApplication {public static void main(String[] args) {SpringApplication.run(InterviewApplication.class, args);
}
}咱们把 Debug 断点打在代码的第一行，而后 Idea 中间接 Debug 运行。
通过上面的筛选性能，咱们能够 Debug 中切换到其余的线程进行察看多线程执行状况。
上面 j 后果应用为 JDK11 运行。
除了下面这种察看形式之外，咱们能够通过“Threads“视图界面察看所有线程的运行状况。以 IDEA2022 版本为例，关上”Threads“视图只须要在右上角点击小方块而后勾选“Threads”即可。
上面后果应用 JDK8 运行。
集体更喜爱下面的展示形式，平淡无奇通知开发者以后断点内的线程运行状况。
如果想要多线程 Debug，能够鼠标右击断点，接着会呈现相干提醒切换到“Thread”,，在调试多线程代码的时候，这个操作会十分不便好用。
通过下面的简略解说能够证实 Java 天生就是多线程程序（哪怕只有一行代码）。
了解多线程
多线程概念
一个过程中领有多（≥2）个线程，线程之间相互协作、独特执行一个应用程序。
古代概念中把仅有单个线程工作的应用程序成为单线程程序。
多线程目标
- 进步 CPU 解决效率。
- 防止有效期待（IO 过程能够别的事件）。
-
进步用户体验，防止卡顿和缩短等待时间。
- 并行处理：进步性能，多个线程接管 http 申请。
- 安卓开发：主线程只能绘制界面。线程不容许 io 或者网络申请，防止卡顿影响体验。
- 编程建模。
-
摩尔定律生效 之后，CPU 的频率逐步达到瓶颈，基本处理器越来越靠近纳米工艺，再往下原子设计无奈冲破物理极限。导致单核的性能主频晋升曾经越过临界点。
- CPU 由单核转为多核多线程，多线程利用越发重要。
- 阿姆达尔定律：处理器越多，解决效率越高，然而下限取决于 串行局部的代码占比，占比越小性能越高。
阿姆达尔定律
在处理器运行单核速度放缓的明天，处理器开始谋求多外围多线程，然而须要留神 多线程的效率晋升取决于代码可能用到多少并行性能。
如果一个程序只能单核单线程串行运行，那么程序运行的时候多线程是没有任何意义的，如果代码反对一半并行一半串行，效率晋升 2 倍，如果程序有 95% 反对并行，那就能够晋升 20 倍性能。
通过上面这个图，能够很直观的看到并行带来质的晋升。
多线程局限
多线程的引入不可避免的带来更为简单的状况。
- 异构化工作很难高效并行。
-
性能平安问题。
- 上下文切换。
- 共享数据相互篡改幻读。
- 缓存生效
-
线程平安问题。
- 编码设计逻辑破绽等。
- 活跃性问题（线程饥饿、死锁）。
- 非原子操作问题（例如 i++）。
多线程的生存案例
这里列举生存中吃火锅的案例来了解多线程：
- 大火锅一个人吃：单过程单线程串行执行。
- 大火锅多人吃：单过程多线程。
- 每人小火锅：多过程多线程。
- 吃火锅底料：资源有余。
并发和并行
并发和并行的前提
- CPU 的飞速发展，比方 i7 呈现多核多线程。
-
编程语言本身反对多线程，这一点很重要，比方 Java 天生具备多线程能力。
- 一对一映射内核线程。
- 充分利用操作系统资源。
- 操作系统自身：操作系统对于多线程的利用也很要害，操作系统通过编程语言的逻辑进行多线程。调度是性能影响的要害。
理清两者概念
并发
实际上蕴含了两种概念，第一种：并发存在 程序“并发性”，第二种：多个工作的执行状态是“并发”的。
这两种概念都有一个很好的比喻，也就是咱们的 大脑，咱们大脑能够具备“并发性”，比方能够同时操作鼠标和键盘。另一个意义操作鼠标和键盘这两个动作是并发但不是并行的，同时画圆和画圈（须要通过肯定的训练）能够看作是并行的。
并发存在 程序“并发性”：
- 此时并发和并行的概念不在同一个维度。
- 同一个工夫可能有多个线程接替工作，给使用者的感触如同是在同时工作，比方边敲键盘，边操作鼠标，实际上是受到程序并发性的影响。
- 不同的局部在无序或者同时 执行，然而最终后果不影响。
- 无论单核还是多外围，只有能得出正确后果，就具备并发性。
- 这时候和多个工作执行状态的概念是不在一个维度上的， 而是更高维度。
多个工作的执行状态是“并发”的：
- 这种状况下是逻辑上的“并行”，并不是真正的并行。
- 重叠的时间段交替运行
- 并发不肯定并行
- 并行肯定并发
- 并发，并发和并发的不同
并行
并行的例子就是两个动作物理上同时产生，比方边打游戏，边接电话这两个动作能够同时进行。
- 并行是多个外围能够在同一个工夫线 物理 上同时工作
- 并行肯定并发
- 依靠于古代解决的倒退
- 多核能力强化
- 编程语言反对多线程
两者关系
下面的图能够得出几个概念
- 并发不肯定并行
- 并行肯定并发
- 并行和并发是并行蕴含在并发的概念外面，所以并行的前提是并发
发问：并发程序肯定是并行的么？
论断：并发程序不肯定并行，然而并行程序肯定是并发的。
不肯定，因为单核处理器通过疾速的上下文切换也能够达到相似并行的成果，实际上是利用抢占式的零碎调用和分片式的零碎调用实现的。
单核逻辑上同行运行叫做并发。上下文切换十分快，所以会认为是并行的。多核实现了物理上并行，外围和外围之间相互独立，能够真正意义上物理工夫能够实现。
比喻：是一个人操作多条流水线，如同每一个流水线都能够解决工作。多集体在流水线上，一个流水线挂了能够由别的流水线接管。
并发持续拓展
- 外表上多个工作执行状态。
- 程序上的并发性也叫做并发。
高并发和多线程关系
多线程是解决高并发问题的解决方案之一，然而多线程不是高并发的惟一方法。
比方 redis 操作数据就是单线程实现的（保障原子性非常简单），因为没有上下文切换非常高效，它没有用到多线程却页解决了数据库高并发的问题，分担压力。
拓展：
- 并行的程序执行效率取决于开发者的代码。
- 取决于处理器的性能。
- 操作系统的调度。
高并发的性能指标
- QPS：每秒的查问数量，越高阐明服务器能够接受的霎时压力越大
- 带宽：决定了例如视频网站的服务质量。
- PV（Page View）：也就是拜访和点击量。
-
UV（Unique View）：示意单个用户拜访的次数，是对于 PV 的访问量和点击率
- UV 肯定会小于 PV
-
IP 和 UV：最大的区别是是否是同一个用户的操作决定，也就是 Cookie
- 两个不同的指标
-
第一个指标 IP：拨号上网 IP 变动
- IP 是每个人独自 IP，然而访问者的 Cookie 是一样的
- IP+1，Uv 不变
-
第二个指标 UV：局域网同一个账户多集体应用
- IP 可能没有变然而 Cookie 在切换
- IP 没有变，UV+1
-
并发连接数
- 某个时刻同时承受申请数量
-
服务器均匀等待时间
- 解决一个申请所需工夫。
同步和异步 / 阻塞和非阻塞
同步和异步
辨别关键点：被调用方的行为
同步
强调的是被调用者（服务器）行为，不是申请方的行为。没有失去后果之前，服务端不返回任何后果。
和阻塞的判断刚好相同。
再次强调是被调用者（服务器）行为，不是申请方的行为。
异步
调用之后服务端立即返回后果（通常是一个告诉）。
案例：烧水壶、买书
烧水壶：传统的铁壶须要期待水烧开才会有后果，电水壶只须要了解返回启动后果即可，因为后续水烧开之后会断电并且揭示。
买书：同步就是书店买书直到老板给出想要的书之前会始终被迫期待（被调用方的行为），网上买书下单之后间接告诉后果过几天之后到货。
阻塞和非阻塞
要害：对于调用者而言的服务端状态
- 站在 线程状态 角度
- 站在 线程发出请求 之后申请方的角度
案例：烧水壶、买书
烧水壶：阻塞就是看着水始终到烧开，非阻塞就是烧水的时候距离一段时间看一眼。
买书：阻塞 就是拿到要买的书籍之前老老实实期待（调用方期待），非阻塞 书店老板找书的过程中能够逛逛书店看看其余的书籍。
综合案例
综合案例用洗衣服的案例来了解。
同步阻塞
洗衣服丢到洗衣机，全程看着洗衣机洗完，洗好之后晾衣服。
同步非阻塞
把衣服丢到洗衣机洗，而后回客厅做其余事件，定时看看洗衣机是不是洗完了，洗好后再去晾衣服。（期待期间你能够做其余事件，比方用电脑刷剧看视频）。
异步阻塞
把衣服丢到洗衣机洗，而后看着洗衣机洗完，洗好后再去晾衣服（没这个状况，简直没这个说法，能够疏忽）。
异步非阻塞
把衣服丢到洗衣机洗，而后回客厅做其余事件，洗衣机洗好后会主动去晾衣服，晾实现后放个音乐通知你 洗好衣服并晾好了。
常见问题汇总
线程和过程的雷同与不同点
不同点：
- 起源不同
- 概念不同
- 性能开销不同
- 作用域不同
- 领有资源不同
- 数量不同
相同点：生命周期
并发和并发
- 并发和高并发是一个蕴含关系（并行蕴含并发），一个程序并行意味着肯定是并发，然而并发能够模拟出并行的成果。
- 并发有两种概念，如果是程序“并发性”，则并行和并发不在一个维度，能够工作无论单核或者多核只有后果正确就具备并发性。另外一个程序 具备并发性 也算是并发的说法。
多线程的弊病
- 异构化工作无奈用多线程实现的工作不如单线程高效。
- 线程平安问题，比方共享变量相互笼罩。
- 性能问题，比方上下文切换、缓存生效。
高并发是否意味着多线程
- 多线程仅仅是高并发的解决方案之一，两者是两个不同的概念，不能一概而论。
- 多线程不是惟一方法，但的确是次要方法。
缓存、音讯队列、锁是高并发的三架马车
同步、异步、阻塞、非阻塞
从并发编程的角度对着四个概念进行再次整顿。
同步异步：和 队列 无关，事件能不能委托给其他人来办。
阻塞非阻塞：和 锁的机制 无关，做一个工作的时候能不能抽空干别的事件。
洗衣机洗衣服：
- 同步阻塞：开启洗衣机，并且全程盯着洗衣机工作。
- 同步非阻塞，开启洗衣机，尽管还是要隔几分钟看洗衣机是否实现工作，然而期间能够干别的事件。
- 异步阻塞：委托给洗衣机本人洗衣服，然而要全程盯着取出衣服最初把衣服晾了。
- 异步非阻塞：通知洗衣机本人洗衣服，工作实现之后洗衣机主动把衣服晾了，最初告知后果。
单核 CPU 上多线程的意义
- 开启多个线程能够让耗时的工作交给后盾解决，利用其余线程提供服务。
- 程序不晓得运行在单核还是多核，单核 CPU 也能够充分利用多线程进步资源利用率。