JUC相关初步概念

﹏ヽ暗。殇╰゛Y 2022-09-11 07:19 161阅读 0赞

# 在并发编程中使用的工具类 #

java.util.concurrent   并发
    java.util.concurrent.atomic   原子
    java.util.concurrent.locks    lock锁

# 进程/线程相关知识 #

## 进程与线程 ##

### 进程（Process） ###

进程（Process） 是计算机中的程序关于某数据集合的一次运行活动，它是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础。

在当代面向线程设计的计算机结构中，进程是线程的容器。程序是指令、数据及其组织形式的描述，进程是程序的实体。

### 线程（thread） ###

是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。

通常一个进程可以包含若干个线程，每条线程并行执行不同的任务。

### 进程与线程二者对比 ###

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

进程拥有共享的资源，如内存空间等，供其内部的线程共享

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 进程间通信）

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

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

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

### 总结： ###

进程：指在系统中正在运行的一个应用程序；程序一旦运行就是进程；进程是资源分配的最小单位。

线程：系统分配处理器时间资源的基本单元，或者说进程之内独立执行的一个单元执行流。线程是程序执行的最小单位。

## 并行与并发 ##

### 串行 ###

串行表示所有任务都一一按先后顺序进行。串行意味着必须先装完一车柴才能运送这车柴，只有运送到了，才能卸下这车柴，并且只有完成了这整个三个步骤，才能进行下一个步骤。

串行是一次只能取得一个任务，并执行这个任务。

### 并行 ###

并行意味着可以同时取得多个任务，并同时去执行所取得的这些任务。并行模式相当于将长长的一条队列，划分成了多条短队列，所以并行缩短了任务队列的长度。并行的效率从代码层次上强依赖于多进程/多线程代码，从硬件角度上则依赖于多核CPU。

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### 并发 ###

并发(concurrent)指的是多个程序可以同时运行的现象，更细化的是多进程可以同时运行或者多指令可以同时运行。但这不是重点，在描述并发的时候也不会去扣这种字眼是否精确，

并发的重点在于它是一种现象, 并发描述的是多进程同时运行的现象。

但实际上，对于单核心CPU来说，同一时刻只能运行一个线程。所以，这里的"同时运行"表示的不是真的同一时刻有多个线程运行的现象，这是并行的概念，而是提供一种功能让用户看来多个程序同时运行起来了，但实际上这些程序中的进程不是一直霸占CPU的，而是执行一会停一会。由于CPU在线程间（时间片很短）的切换非常快，给我们的感觉是同时运行的。微观串行，宏观并行

要解决大并发问题，通常是将大任务分解成多个小任务, 由于操作系统对进程的调度是随机的，所以切分成多个小任务后，可能会从任一小任务处执行。这可能会出现一些现象：

• 可能出现一个小任务执行了多次，还没开始下个任务的情况。这时一般会采用队列或类似的数据结构来存放各个小任务的成果

• 可能出现还没准备好第一步就执行第二步的可能。这时，一般采用多路复用或异步的方式，比如只有准备好产生了事件通知才执行某个任务。

• 可以多进程/多线程的方式并行执行这些小任务。也可以单进程/单线程执行这些小任务，这时很可能要配合多路复用才能达到较高的效率

![image-20210910114516721][]

### 总结： ###

并发：同一时刻多个线程在访问同一个资源，多个线程对一个点

比如 你一边打电话一边吃饭

并行：多项工作一起执行。并行必须有多核才能实现,否则只能实现并发(伪并行)

比如 你吃一会饭，再去打一会电话，然后再继续吃饭，如果速度足够快，就给人一种吃饭打电话同时进行的感觉

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1.  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
2.  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
    
    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【阿姆达尔定律】）
    
    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
3.  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

# **同步 异步 阻塞 非阻塞** #

同步：就是一个任务的完成需要依赖另外一个任务，只有等待被依赖的任务完成后，依赖任务才能完成。

如正在写的数据以后可能被另一个线程读到，那么这些数据就必须进行同步存取（数据库操作中的排他锁就是最好的例子）。

异步：不需要等待被依赖的任务完成，只是通知被依赖的任务要完成什么工作，只要自己任务完成了就算完成了，被依赖的任务是否完成会进行通知。（异步的特点就是通知）。

打电话和发短信来比喻同步和异步操作。

当应用程序在对象上调用了一个需要花费很长时间来执行的方法，执行后的结果不会对接下来的操作有影响，就应该使用异步，在很多情况下采用异步途径往往更有效率。

事实上，所谓的同步就是指阻塞式操作，而异步就是非阻塞式操作。

阻塞：CPU停下来等一个慢的操作完成以后，才会接着完成其他的工作。

非阻塞：非阻塞就是在这个慢的执行时，CPU去做其他工作，等这个慢的完成后，CPU才会接着完成后续的操作。  
非阻塞会造成线程切换增加，增加CPU的使用时间能不能补偿系统的切换成本需要考虑。

# 协程（纤程） #

协程（Coroutines）是一种比线程更加轻量级的存在，正如一个进程可以拥有多个线程一样，一个线程可以拥有多个协程。

![img][]

协程不是被操作系统内核所管理的，而是完全由程序所控制，也就是在用户态执行。这样带来的好处是性能大幅度的提升，因为不会像线程切换那样消耗资源。

协程不是进程也不是线程，而是一个特殊的函数，这个函数可以在某个地方挂起，并且可以重新在挂起处外继续运行。所以说，协程与进程、线程相比并不是一个维度的概念。

既然协程这么好，它到底是怎么来使用的呢？

由于Java的原生语法中并没有实现协程（某些开源框架实现了协程，但是很少被使用），所以我们来看一看python当中对协程的实现案例，同样以生产者消费者模式为例：

![img][img 1]

代码中创建了一个叫做consumer的协程，并且在主线程中生产数据，协程中消费数据。

其中 **yield** 是python当中的语法。当协程执行到yield关键字时，会暂停在那一行，等到主线程调用send方法发送了数据，协程才会接到数据继续执行。

但是，yield让协程暂停，和线程的阻塞是有本质区别的。协程的暂停完全由程序控制，线程的阻塞状态是由操作系统内核来进行切换。

因此，**协程的开销远远小于线程的开销。**

# 管程 #

管程(monitor) 叫监视器，也就是所谓的锁

是保证了同一时刻只有一个线程在管程内活动,即管程内定义的操作在同一时刻只被一个线程调用(由编译器实现).但是这样并不能保证进程以设计的顺序执行

JVM中同步是基于进入和退出管程(monitor)对象实现的，每个对象都会有一个管程(monitor)对象，管程(monitor)会随着java对象一同创建和销毁

执行线程首先要持有管程对象，然后才能执行方法，当方法完成之后会释放管程，方法在执行时候会持有管程，其他线程无法再获取同一个管程

Object o = new Object();
    
    new Thread(() -> { 
        synchronized (o)
        { 
    
        }
    
    },"t1").start();

Monitor对象会和Java对象一同创建并销毁，它底层是由C++语言来实现的。

JVM第三版中：

![image-20210904204945591][]

# 为什么多线程极其重要？？？ #

## 硬件方面–摩尔定律失效 ##

摩尔定律：  
它是由英特尔创始人之一Gordon Moore(戈登·摩尔)提出来的。其内容为：  
当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。  
换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18-24个月翻一倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。

可是从2003年开始CPU主频已经不再翻倍，而是采用多核而不是更快的主频。

摩尔定律失效。

在主频不再提高且核数在不断增加的情况下，要想让程序更快就要用到并行或并发编程。

## 软件方面 ##

高并发系统，异步+回调等生产需求

# 为什么要使用多线程 #

执行一个简单的“Hello,World!”，却启动了那么多的“无关”线程，是不是把简单的问题复杂化了？ 当然不是，因为正确使用多线程，总是能够给开发人员带来显著的好处，而使用多线程的原因主要有以下几点。  
（1）更多的处理器核心  
随着处理器上的核心数量越来越多，以及超线程技术的广泛运用，现在大多数计算机都比以往更加擅长并行计算，而处理器性能的提升方式，也从更高的主频向更多的核心发展。如何利用好处理器上的多个核心也成了现在的主要问题。  
线程是大多数操作系统调度的基本单元，一个程序作为一个进程来运行，程序运行过程中能够创建多个线程，而一个线程在一个时刻只能运行在一个处理器核心上。试想一下，一个单线程程序在运行时只能使用一个处理器核心，那么再多的处理器核心加入也无法显著提升  
该程序的执行效率。相反，如果该程序使用多线程技术，将计算逻辑分配到多个处理器核心上，就会显著减少程序的处理时间，并且随着更多处理器核心的加入而变得更有效率。  
（2）更快的响应时间  
有时我们会编写一些较为复杂的代码（这里的复杂不是说复杂的算法，而是复杂的业务逻辑），例如，一笔订单的创建，它包括插入订单数据、生成订单快照、发送邮件通知卖家和记录货品销售数量等。用户从单击“订购”按钮开始，就要等待这些操作全部完成才能看到订购成功的结果。但是这么多业务操作，如何能够让其更快地完成呢？  
在上面的场景中，可以使用多线程技术，即将数据一致性不强的操作派发给其他线程处理（也可以使用消息队列），如生成订单快照、发送邮件等。这样做的好处是响应用户请求的线程能够尽可能快地处理完成，缩短了响应时间，提升了用户体验。  
（3）更好的编程模型  
Java为多线程编程提供了良好、考究并且一致的编程模型，使开发人员能够更加专注于问题的解决，即为所遇到的问题建立合适的模型，而不是绞尽脑汁地考虑如何将其多线程化。一旦开发人员建立好了模型，稍做修改总是能够方便地映射到Java提供的多线程编程模型上。

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