本章内容
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进程和线程的概念
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并行和并发的概念
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线程基本应用
2.1 进程与线程
进程
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程序由指令和数据组成,但这些指令要运行,数据要读写,就必须将指令加载至 CPU,数据加载至内存。在指令运行过程中还需要用到磁盘、网络等设备。进程就是用来加载指令、管理内存、管理 IO 的
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当一个程序被运行,从磁盘加载这个程序的代码至内存,这时就开启了一个进程。
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进程就可以视为程序的一个实例。大部分程序可以同时运行多个实例进程(例如记事本、画图、浏览器等),也有的程序只能启动一个实例进程(例如网易云音乐、360 安全卫士等)
线程
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一个进程之内可以分为一到多个线程。
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一个线程就是一个指令流,将指令流中的一条条指令以一定的顺序交给 CPU 执行
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Java 中,线程作为最小调度单位,进程作为资源分配的最小单位。 在 windows 中进程是不活动的,只是作为线程的容器
二者对比
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进程基本上相互独立的,而线程存在于进程内,是进程的一个子集
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进程拥有共享的资源,如内存空间等,供其内部的线程共享
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进程间通信较为复杂
- 同一台计算机的进程通信称为 IPC(Inter-process communication)
- 不同计算机之间的进程通信,需要通过网络,并遵守共同的协议,例如 HTTP
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线程通信相对简单,因为它们共享进程内的内存,一个例子是多个线程可以访问同一个共享变量
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线程更轻量,线程上下文切换成本一般上要比进程上下文切换低
2.2 并行与并发
单核 cpu 下,线程实际还是 串行执行 的。操作系统中有一个组件叫做任务调度器,将 cpu 的时间片(windows 下时间片最小约为 15 毫秒)分给不同的程序使用,只是由于 cpu 在线程间(时间片很短)的切换非常快,人类感觉是 同时运行的
总结为一句话就是:微观串行,宏观并行
- 一般会将这种 线程轮流使用 CPU 的做法称为并发, concurrent
CPU | 时间片1 | 时间片2 | 时间片3 | 时间片4 |
---|---|---|---|---|
core | 线程1 | 线程2 | 线程3 | 线程4 |
- 多核 cpu下,每个 核(core) 都可以调度运行线程,这时候线程可以是并行的
CPU | 时间片1 | 时间片2 | 时间片3 | 时间片4 |
---|---|---|---|---|
core1 | 线程1 | 线程1 | 线程3 | 线程3 |
core2 | 线程2 | 线程4 | 线程2 | 线程4 |
例子
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家庭主妇做饭、打扫卫生、给孩子喂奶,她一个人轮流交替做这多件事,这时就是并发
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家庭主妇雇了个保姆,她们一起这些事,这时既有并发,也有并行(这时会产生竞争,例如锅只有一口,一 个人用锅时,另一个人就得等待)
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雇了3个保姆,一个专做饭、一个专打扫卫生、一个专喂奶,互不干扰,这时是并行
引用 Rob Pike 的一段描述:
- 并发(concurrent)是同一时间应对(dealing with)多件事情的能力
- 并行(parallel)是同一时间动手做(doing)多件事情的能力
2.3 应用
* 应用之异步调用(案例1)
代码提交点
以调用方角度来讲,如果
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需要等待结果返回,才能继续运行就是 同步
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不需要等待结果返回,就能继续运行就是 异步
1) 设计
多线程可以让方法执行变为异步的(即不要巴巴干等着)比如说读取磁盘文件时,假设读取操作花费了 5 秒钟,如果没有线程调度机制,这 5 秒 cpu 什么都做不了,其它代码都得暂停...
2) 结论
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比如在项目中,视频文件需要转换格式等操作比较费时,这时开一个新线程处理视频转换,避免阻塞主线程
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tomcat 的异步 servlet 也是类似的目的,让用户线程处理耗时较长的操作,避免阻塞 tomcat 的工作线程
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ui 程序中,开线程进行其他操作,避免阻塞 ui 线程
应用之提高效率(案例1)
代码提交点
充分利用多核 cpu 的优势,提高运行效率。想象下面的场景,执行 3 个计算,最后将计算结果汇总。
计算 1 花费 10 ms
计算 2 花费 11 ms
计算 3 花费 9 ms
汇总需要 1 ms
- 如果是串行执行,那么总共花费的时间是 10 + 11 + 9 + 1 = 31ms
- 但如果是四核 cpu,各个核心分别使用线程 1 执行计算 1,线程 2 执行计算 2,线程 3 执行计算 3,那么 3 个 线程是并行的,花费时间只取决于最长的那个线程运行的时间,即 11ms最后加上汇总时间只会花费 12ms
注意:
- 需要在多核 cpu 才能提高效率,单核仍然时是轮流执行
1) 设计
代码见【应用之效率-案例1】<<<<<
2) 结论
- 单核 cpu 下,多线程不能实际提高程序运行效率,只是为了能够在不同的任务之间切换,不同线程轮流使用 cpu ,不至于一个线程总占用 cpu,别的线程没法干活
- 多核 cpu 可以并行跑多个线程,但能否提高程序运行效率还是要分情况的
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- 有些任务,经过精心设计,将任务拆分,并行执行,当然可以提高程序的运行效率。但不是所有计算任 务都能拆分(参考后文的【阿姆达尔定律】)
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- 也不是所有任务都需要拆分,任务的目的如果不同,谈拆分和效率没啥意义
- IO 操作不占用 cpu,只是我们一般拷贝文件使用的是【阻塞 IO】,这时相当于线程虽然不用 cpu,但需要一 直等待 IO 结束,没能充分利用线程。所以才有后面的【非阻塞 IO】和【异步 IO】优化