Java并发编程——基础知识（一）

1.进程与线程

1.1 基本概念

• 进程：对运行时程序的封装，是系统进行资源调度和分配的的基本单位，实现了操作系统的并发
• 线程：进程的子任务，是CPU调度和分派的基本单位，用于保证程序的实时性，实现进程内部的并发；线程是操作系统可识别的最小执行和调度单位。每个线程都独自占用一个虚拟处理器：独自的寄存器组，指令计数器和处理器状态。每个线程完成不同的任务，但是共享同一地址空间（也就是同样的动态内存，映射文件，目标代码等等），打开的文件队列和其他内核资源。

1.2 进程与线程的区别

1. 一个线程只属于一个进程，而一个进程中可以有多个线程，但至少有一个线程，线程依赖于进程而存在.
2. 进程执行过程中拥有独立的内存单元，而多个线程共享进程的内存.(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.)
3. 进程是资源分配的最小单位，线程是CPU调度的最小单位.
4. 由于在创建或撤销进程时，系统都要为之分配或回收资源，如内存空间、IO设备等.因此，操作系统所付出的开销将显著地大于创建或撤销线程时的开销.类似地，在进行进程切换时，涉及到整个当前进程CPU环境的保存以及新被调度运行的进程的CPU环境的设置.而线程切换只须保存和设置少量寄存器的内容，并不涉及存储器管理方面的操作.可见，进程切换的开销远大于线程切换的开销.
5. 由于同一进程中的多个线程具有相同的地址空间，致使它们之间的同步和通信的实现也变得容易.进程间通信IPC，线程间可以直接读写进程数据段(如 全局变量)来进行通信——需要同步或互斥手段的辅助，以保证数据的一致性.在有的系统中，线程的切换、同步和通信都无须操作系统内核的干预.
6. 进程编程调试简单可靠性高，但是创建销毁开销大;线程正相反，开销小，切换速度快，但是编程调试相对复杂.
7. 进程间不会相互影响，线程中一个线程挂掉可能导致整个进程挂掉.
8. 进程适应于多核、多机分布，线程适用于多核.

1.3 进程间的通信方式

​ 进程间的通信主要包括管道、系统IPC(包括消息队列、信号量、信号、共享内存等)以及套接字socket.

1.3.1 管道

​ 管道主要包括匿名管道和命名管道.管道可用于具有亲缘关系的父子进程间的通信.命名管道除了具有管道所具有的所有功能外，它还允许无亲缘关系的进程间的通信.

• 匿名管道PIPE：
  1. 它是半双工的(即数据只能在一个方向上流动)，具有固定的读端和写端.
  2. 它只能用于具有亲缘关系的进程间通信(父子进程或兄弟进程).
  3. 它可以看成是一种特殊的文件，对于它的读写也可以使用普通的read、write等函数.但它不是普通的文件，并不属于其他任何的文件系统，并且只存在于内存中.
• 命名管道FIFO:
  1. FIFO可以在无关的进程中交换数据.
  2. FIFO有路径名与之相关联，它以一种特殊设备文件形式存在于文件系统中.

1.3.2 系统IPC

• 消息队列：

  消息队列是消息的链接表，存放在内核中.一个消息队列由一个标识符(即队列ID)来标记(消息队列克服了信号传递信息少，管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等特点)具有写权限的进程可以按照一定的规则向消息队列中添加新的信息.对消息队列有读权限的进程可以从中读取信息.

  特点:

  1. 消息队列是面向记录的.其中的消息具有特定的格式和特定的优先级.
  2. 消息队列独立于发送和接受进程.进程终止时，消息队列中的内容并不会被删除.
  3. 消息队列可以实现消息的随机查询.消息不一定要以先进先出的次序读取，也可以按消息的类型读取.

• 信号量:

  信号量与已经介绍过的IPC结构不同，它是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问.信号量用于实现进程间的互斥同步，而不是用于存储进程间的通信数据.

  特点:

  1. 信号量用于进程间同步，若要进程间传递数据需要结合共享内存使用.
  2. 信号量基于操作系统的PV操作，程序对信号量的操作都是原子操作.
  3. 每次对信号量的PV操作不仅限于对信号量值加1或减1,而且可以加减任意正整数.
  4. 支持信号量组

• 信号：

  信号是一种比较复杂的通信方式，用于通知接受进程某个事件已经发生.

• 共享内存:

  它使得多个进程可以访问同一块内存空间，不同进程可以及时看到对方进程中对共享内存中数据的更新.这种方式需要依靠某种同步操作，如互斥锁和信号量等.

  特点:

  1. 共享内存是最快的一种IPC，因为进程是直接对内存进行读取.
  2. 因为多个进程可以同时操作，所以需要进程同步
  3. 信号量+共享内存通常要结合在一起使用,信号量用来同步对共享内存的访问.

1.3.3 套接字

​ socket也是一种进程间通信机制.与其他通信机制不同的是，它可以用于不通主机之间的通信

1.4 线程间通信方式

1. 临界区：通过多线程的串行化来访问公共资源或一段代码,速度快，适合控制数据访问.
2. 互斥量Synchronized/Lock：采用互斥对象机制，只有拥有互斥对象的线程才有访问公共资源的权限。因为互斥对象只有一个，所以可以保证公共资源不会被多个线程同时访问.
3. 信号量Semphare:为控制具有有限数量的用户资源而设计的，它允许多个线程在同一时刻去访问同一个资源，但一般需要限制同一时刻访问此资源的最大线程数目.
4. 事件(信号)，Wait/Notify:通过通知操作的方式来保持多线程同步，还可以方便的实现多线程优先级的比较操作.

二、并发与并行

1. 并发：多个进程在一个CPU下采用时间片轮转方式，在一段时间内，让多个进程得以推进，类似“雨露均沾”思想，一个CPU在短时间内会自动调度不同任务.(同一时间间隔内，多个事件交替发生)
2. 并行：多个任务在多个CPU分别同时运行，这称之为并行.(同一时刻，多个事件发生)

三、线程的风险

1. 线程安全性问题：多线程环境下，程序的运行结果与预期不符.(伴生现象：不容易复现)
2. 线程的活跃度问题：
   • 死锁：指两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去
   • 饥饿：如果线程优先级“不均”，并且CPU繁忙的情况下，优先级低的线程得到执行的机会很小，就可能发生线程“饥饿”；持有锁的线程，如果执行的时间过长，也可能导致“饥饿”问题。饥饿嘛，线程一直得不到CPU时间，一直被饿着.
   • 活锁：线程拿到锁，却又相互释放锁，不执行功能.
3. 线程的性能问题：

• 消耗时间:线程的创建和销毁都需要时间，当有大量的线程创建和销毁时，那么这些时间的消耗则比较明显，将导致性能上的缺失.
• 消耗CPU和内存：如果发生大量的线程被创建、执行和销毁，这可是非常耗CPU和内存的，这样将直接影响系统的吞吐量，导致性能急剧下降，如果内存资源占用的比较多，还很可能造成OOM.
• 容易导致GC频繁的执行:大量的线程的创建和销毁很容易导致GC频繁的执行，从而发生内存抖动现象，而发生了内存抖动，对于移动端来说，最大的影响就是造成界面卡顿.
• 线程的上下文切换:在线程调度过程中需要访问由操作系统和JVM共享的数据结构。应用程序、操作系统以及JVM都使用一组相同的CPU，在JVM和操作系统的代码中消耗越多的CPU时钟周期，应用程序的可用CPU时钟周期就越来越少。当一个新的线程被切换进来时，它所需要的数据可能不在当前处理器的本地缓存中，因此上下文切换将导致一些缓存缺失，因而线程在首次调度运行时会更加缓慢。

参考文章：

• 进程和线程的概念、区别及进程线程间通信
• java并发编程：多线程带来的安全风险问题