关于java:Java2小时搞定多线程个人笔记

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：

1. 单指令模式（相似计算器）。
2. 多指令模式（批处理）。
3. 批处理存在 CPU 期待状况，过程诞生。
4. 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：

1. 过程代码段。
2. 过程私有资源（线程能够利用过程的共享资源简略通信）。
3. 过程关上的文件描述符。
4. 信号处理器。
5. 过程当前目录。
6. 过程 ID 过程组 ID

线程独有内容包含：

1. 寄存器的值
2. 线程 ID
3. 线程名称
4. 线程堆栈
5. 谬误返回号码
6. 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：

1. 大火锅一个人吃：单过程单线程串行执行。
2. 大火锅多人吃：单过程多线程。
3. 每人小火锅：多过程多线程。
4. 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。