并发编程(一)

短命女 2023-10-01 19:34 23阅读 0赞

### 1、进程和线程 ###

#### 1、进程 ####

*  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**
 *  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。
 *  **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）

#### 2、线程 ####

*  一个进程之内可以分为一到多个线程。
 *  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
 *  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**

#### 3、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）
     *  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

### 2、并发与并行 ###

#### 1、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**

![在这里插入图片描述][watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA56iL5bqP5ZGY6ICB55-z_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16_pic_center]

#### 2、并行 ####

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。

![在这里插入图片描述][watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA56iL5bqP5ZGY6ICB55-z_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16_pic_center 1]

*  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
    
     *  例子 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
     *  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）

### 3、应用 ###

#### 1、同步&异步 ####

以调用方角度来讲，如果

*  **需要等待结果返回，才能继续运行就是同步**
 *  **不需要等待结果返回，就能继续运行就是异步**

同步：

@Test
        public void asyncTest(){
        
            log.info("当前线程：{}",Thread.currentThread().getName());
            log.info("当前线程：{}",Thread.currentThread().getId());
        }

打印结果：

**同步的情况下，是按照代码的顺序执行的，从上到下执行代码，使用的是同一个线程。**  
![在这里插入图片描述][952548220cc24e08b6b47f007a4f1427.png_pic_center]

异步：

@Test
        public void syncTest(){
        
            new Thread(()->{
        
                log.info("sync....");
            }).start();
            log.info("mian....");
        }

打印结果：

**异步的情况下，使用的线程是不同的，执行的顺序是不定的。**

![在这里插入图片描述][13e6a94603274189aed74f38fddc6da9.png_pic_center]

#### 2、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…

#### 3、应用之提高效率 ####

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

#### 4、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
 *  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】）
 *  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

### 4、java线程 ###

#### 1、创建线程的方法 ####

*  **方法一，直接使用 Thread**

/**
         * 异步
         */
        @Test
        public void syncTest(){
        
            new Thread(()->{
        
                Thread.currentThread().setName("t1线程");
                log.info(Thread.currentThread().getName() + "sync....");
            }).start();
            // 主线程
            log.info("mian....");
        }

*  **方法二，使用 Runnable 配合 Thread**
    
    把【线程】和【任务】（要执行的代码）分开
    
     *  Thread 代表线程
     *  Runnable可运行的任务（线程要执行的代码）
    
        /**
             * 利用Runnable创建线程
             */
            @Test
            public void test02(){
              
                Runnable r1 = new Runnable() {
              
                    @Override
                    public void run() {
              
                        log.info("running...");
                    }
                };
        
                // Java 8 以后可以使用 lambda 精简代码
                Runnable r2 = ()->{
              
                    log.info("r2....");
                };
        
                Thread t1 = new Thread(r2,"r2");
                t1.start();
        
                log.info("sadfsdfsdf");
            }
 *  **方法三，FutureTask 配合 Thread**
    
    FutureTask 能够接收 Callable 类型的参数，用来处理有返回结果的情况
    
        /**
             * FutureTask 配合 Thread
             * @throws ExecutionException
             * @throws InterruptedException
             */
            @Test
            public void test04() throws ExecutionException, InterruptedException {
              
                FutureTask<Integer> task = new FutureTask<Integer>(() -> {
              
                    log.info("running...");
                    return 1000;
                });
        
                Thread t1 = new Thread(task, "t1");
                t1.start();
        
                // 获取值
                Integer integer = task.get();
                log.info("{}",integer);
            }

### 5、synchronized 解决方案 ###

#### 1、synchronized介绍 ####

*  应用之互斥
    
    为了避免临界区的竞态条件发生，有多种手段可以达到目的。
    
     *  阻塞式的解决方案：synchronized，Lock
     *  非阻塞式的解决方案：原子变量
    
    本次课使用阻塞式的解决方案：**synchronized**，来解决上述问题，即俗称的【对象锁】，**它采用互斥的方式让同一时刻至多只有一个线程能持有【对象锁】，其它线程再想获取这个【对象锁】时就会阻塞住。这样就能保证拥有锁的线程可以安全的执行临界区内的代码，不用担心线程上下文切换**

注意：

虽然 java 中互斥和同步都可以采用 synchronized 关键字来完成，但它们还是有区别的：

*  互斥是保证临界区的竞态条件发生，同一时刻只能有一个线程执行临界区代码
 *  同步是由于线程执行的先后、顺序不同、需要一个线程等待其它线程运行到某个点

#### 2、语法 ####

synchronized(对象) // 线程1， 线程2(blocked)
    {
        
     临界区
    }

解决：

static int counter = 0;
    static final Object room = new Object();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
         Thread t1 = new Thread(() -> {
        
         	for (int i = 0; i < 5000; i++) {
        
         		synchronized (room) {
        
        		 	counter++;
         		}
         	}
         }, "t1");
         
         Thread t2 = new Thread(() -> {
        
         	for (int i = 0; i < 5000; i++) {
        
         		synchronized (room) {
        
         			counter--;
         	}
         }
         }, "t2");
         
     t1.start();
     t2.start();
     t1.join();
     t2.join();
     log.debug("{}",counter);
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA56iL5bqP5ZGY6ICB55-z_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16_pic_center 2]

*  你可以做这样的类比： synchronized(对象) 中的对象，可以想象为一个房间（room），有唯一入口（门）房间只能一次进入一人 进行计算，线程 t1，t2 想象成两个人
 *  当线程 t1 执行到 synchronized(room) 时就好比 t1 进入了这个房间，并锁住了门拿走了钥匙，在门内执行 count++ 代码
 *  这时候如果 t2 也运行到了 synchronized(room) 时，它发现门被锁住了，只能在门外等待，发生了上下文切 换，阻塞住了
 *  这中间即使 t1 的 cpu 时间片不幸用完，被踢出了门外（不要错误理解为锁住了对象就能一直执行下去哦）， 这时门还是锁住的，t1 仍拿着钥匙，t2 线程还在阻塞状态进不来，只有下次轮到 t1 自己再次获得时间片时才 能开门进入  
    线程 t1，t2 想象成两个人
 *  当线程 t1 执行到 synchronized(room) 时就好比 t1 进入了这个房间，并锁住了门拿走了钥匙，在门内执行 count++ 代码
 *  这时候如果 t2 也运行到了 synchronized(room) 时，它发现门被锁住了，只能在门外等待，发生了上下文切 换，阻塞住了
 *  这中间即使 t1 的 cpu 时间片不幸用完，被踢出了门外（不要错误理解为锁住了对象就能一直执行下去哦）， 这时门还是锁住的，t1 仍拿着钥匙，t2 线程还在阻塞状态进不来，只有下次轮到 t1 自己再次获得时间片时才 能开门进入
 *  当 t1 执行完 synchronized\{\} 块内的代码，这时候才会从 obj 房间出来并解开门上的锁，唤醒 t2 线程把钥匙给他。t2 线程这时才可以进入 obj 房间，锁住了门拿上钥匙，执行它的 count-- 代码

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