高并发编程JUC之进程与线程高并发编程JUC之进程与线程

忘是亡心i 2024-03-26 18:00 149阅读 0赞

1.准备

pom.xml 依赖如下：

<properties>
        <project.build.sourceEncoding>UTF-8</project.build.sourceEncoding>
          <maven.compiler.source>1.8</maven.compiler.source>
          <maven.compiler.target>1.8</maven.compiler.target>
      </properties>
    
      <dependencies>
        <dependency>
          <groupId>junit</groupId>
          <artifactId>junit</artifactId>
          <version>4.11</version>
          <scope>test</scope>
        </dependency>
        
        <dependency>
          <groupId>org.projectlombok</groupId>
          <artifactId>lombok</artifactId>
          <version>1.18.22</version>
          <scope>provided</scope>
        </dependency>
        <dependency>
          <groupId>org.slf4j</groupId>
          <artifactId>slf4j-api</artifactId>
          <version>1.7.22</version>
        </dependency>
        <dependency>
          <groupId>ch.qos.logback</groupId>
          <artifactId>logback-classic</artifactId>
          <version>1.2.3</version>
        </dependency>
        <dependency>
          <groupId>org.junit.jupiter</groupId>
          <artifactId>junit-jupiter</artifactId>
          <version>RELEASE</version>
          <scope>compile</scope>
        </dependency>
      </dependencies>

logback.xml 配置如下：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
    <configuration scan="true">
        <appender name="STDOUT" class="ch.qos.logback.core.ConsoleAppender">
            <encoder>
                <pattern>%date{HH:mm:ss} [%t] %logger - %m%n</pattern>
            </encoder>
        </appender>
        <logger name="c" level="debug" additivity="false">
            <appender-ref ref="STDOUT"/>
        </logger>
        <root level="ERROR">
            <appender-ref ref="STDOUT"/>
        </root>
    </configuration>

## 2.进程与线程 ##

### 2.1 进程与线程 ###

#### 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）

#### 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

#### 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

### 2.2 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

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。

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 ###

#### $\\textcolor\{Green\}\{\*应用之异步调用（案例1）\} $ ####

##### 需要等待结果 #####

这时既可以使用同步处理，也可以使用异步来处理

join 实现（同步）

static int result = 0;
    private static void test1() throws InterruptedException {
        log.debug("开始");
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            log.debug("开始");
            sleep(1);
            log.debug("结束");
            result = 10;
        }, "t1");
        t1.start();
        t1.join();
        log.debug("结果为:{}", result);
    }

输出

20:30:40.453 [main] c.TestJoin - 开始
    20:30:40.541 [Thread-0] c.TestJoin - 开始
    20:30:41.543 [Thread-0] c.TestJoin - 结束
    20:30:41.551 [main] c.TestJoin - 结果为:10

评价

*  需要外部共享变量，不符合面向对象封装的思想

*  必须等待线程结束，不能配合线程池使用

###### Future 实现（同步） ######

private static void test2() throws InterruptedException, ExecutionException {
        log.debug("开始");
        FutureTask<Integer> result = new FutureTask<>(() -> {
            log.debug("开始");
            sleep(1);
            log.debug("结束");
            return 10;
        });
        new Thread(result, "t1").start();
        log.debug("结果为:{}", result.get());
    }

输出

10:11:57.880 c.TestSync [main] - 开始
    10:11:57.942 c.TestSync [t1] - 开始
    10:11:58.943 c.TestSync [t1] - 结束
    10:11:58.943 c.TestSync [main] - 结果为:10

评价

*  规避了使用 join 之前的缺点

*  可以方便配合线程池使用

private static void test3() throws InterruptedException, ExecutionException {
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(1);
        log.debug("开始");
        Future<Integer> result = service.submit(() -> {
            log.debug("开始");
            sleep(1);
            log.debug("结束");
            return 10;
        });
        log.debug("结果为:{}, result 的类型:{}", result.get(), result.getClass());
        service.shutdown();
    }

输出

10:17:40.090 c.TestSync [main] - 开始
    10:17:40.150 c.TestSync [pool-1-thread-1] - 开始
    10:17:41.151 c.TestSync [pool-1-thread-1] - 结束
    10:17:41.151 c.TestSync [main] - 结果为:10, result 的类型:class java.util.concurrent.FutureTask

评价

*  仍然是 main 线程接收结果

*  get 方法是让调用线程同步等待

###### 自定义实现（同步） ######

见模式篇：保护性暂停模式

###### CompletableFuture 实现（异步） ######

private static void test4() {
        // 进行计算的线程池
        ExecutorService computeService = Executors.newFixedThreadPool(1);
        // 接收结果的线程池
        ExecutorService resultService = Executors.newFixedThreadPool(1);
        log.debug("开始");
        CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            log.debug("开始");
            sleep(1);
            log.debug("结束");
            return 10;
        }, computeService).thenAcceptAsync((result) -> {
            log.debug("结果为:{}", result);
        }, resultService);
    }

输出

10:36:28.114 c.TestSync [main] - 开始
    10:36:28.164 c.TestSync [pool-1-thread-1] - 开始
    10:36:29.165 c.TestSync [pool-1-thread-1] - 结束
    10:36:29.165 c.TestSync [pool-2-thread-1] - 结果为:10

评价

*  可以让调用线程异步处理结果，实际是其他线程去同步等待

*  可以方便地分离不同职责的线程池

*  以任务为中心，而不是以线程为中心

###### BlockingQueue 实现（异步） ######

private static void test6() {
        ExecutorService consumer = Executors.newFixedThreadPool(1);
        ExecutorService producer = Executors.newFixedThreadPool(1);
        BlockingQueue<Integer> queue = new SynchronousQueue<>();
        log.debug("开始");
        producer.submit(() -> {
            log.debug("开始");
            sleep(1);
            log.debug("结束");
            try {
                queue.put(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        consumer.submit(() -> {
            try {
                Integer result = queue.take();
                log.debug("结果为:{}", result);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
    }

##### 不需等待结果 #####

这时最好是使用异步来处理

###### 普通线程实现 ######

@Slf4j(topic = "c.FileReader")
    public class FileReader {
        public static void read(String filename) {
            int idx = filename.lastIndexOf(File.separator);
            String shortName = filename.substring(idx + 1);
            try (FileInputStream in = new FileInputStream(filename)) {
                long start = System.currentTimeMillis();
                log.debug("read [{}] start ...", shortName);
                byte[] buf = new byte[1024];
                int n = -1;
                do {
                    n = in.read(buf);
                } while (n != -1);
                long end = System.currentTimeMillis();
                log.debug("read [{}] end ... cost: {} ms", shortName, end - start);
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

没有用线程时，方法的调用是同步的：

@Slf4j(topic = "c.Sync")
    public class Sync {
        public static void main(String[] args) {
            String fullPath = "E:\1.mp4";
            FileReader.read(fullPath);
            log.debug("do other things ...");
        }
    }

输出

18:39:15 [main] c.FileReader - read [1.mp4] start ...
    18:39:19 [main] c.FileReader - read [1.mp4] end ... cost: 4090 ms
    18:39:19 [main] c.Sync - do other things ...

使用了线程后，方法的调用时异步的：

private static void test1() {
        new Thread(() -> FileReader.read(Constants.MP4_FULL_PATH)).start();
        log.debug("do other things ...");
    }

输出

18:41:53 [main] c.Async - do other things ...
    18:41:53 [Thread-0] c.FileReader - read [1.mp4] start ...
    18:41:57 [Thread-0] c.FileReader - read [1.mp4] end ... cost: 4197 ms

###### 线程池实现 ######

private static void test2() {
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(1);
        service.execute(() -> FileReader.read(Constants.MP4_FULL_PATH));
        log.debug("do other things ...");
        service.shutdown();
    }

输出

11:03:31.245 c.TestAsyc [main] - do other things ... 
    11:03:31.245 c.FileReader [pool-1-thread-1] - read [1.mp4] start ... 
    11:03:33.479 c.FileReader [pool-1-thread-1] - read [1.mp4] end ... cost: 2235 ms

###### CompletableFuture 实现 ######

private static void test3() throws IOException {
        CompletableFuture.runAsync(() -> FileReader.read(Constants.MP4_FULL_PATH));
        log.debug("do other things ...");
        System.in.read();
    }

输出

11:09:38.145 c.TestAsyc [main] - do other things ... 
    11:09:38.145 c.FileReader [ForkJoinPool.commonPool-worker-1] - read [1.mp4] start ... 
    11:09:40.514 c.FileReader [ForkJoinPool.commonPool-worker-1] - read [1.mp4] end ... cost: 2369 ms

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

**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**

*  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

*  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

*  ui 程序中，开线程进行其他操作，避免阻塞 ui 线程

#### ![Image 1][] ####

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