Java并发编程学习(一)

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

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。

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。

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）
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

应用

应用之异步调用（案例1）

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

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…
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

应用之提高效率（案例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
1
2
3
4

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，单核仍然是轮流执行

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（因为有个DMA在中间帮忙），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

Java线程

创建和运行线程

方法一：直接使用Thread

// 创建线程对象 
Thread t = new Thread() {
 public void run() {
    // 要执行的任务 
} }; // 启动线程
  t.start();

例如：

// 构造方法的参数是给线程指定名字，推荐 
Thread t1 = new Thread("t1") {
@Override // run 方法内实现了要执行的任务 
 public void run() {
   log.debug("hello"); 
 }
}; 
t1.start();

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）

Runnable runnable = new Runnable() {
 public void run(){ 
  // 要执行的任务
   } 
 }; 
// 创建线程对象 
Thread t = new Thread( runnable ); 
// 启动线程 
t.start();

例如：

Runnable runnable = new Runnable() {
public void run(){
                // 要执行的任务
                log.debug("t1 running");
            }
 };
// 创建线程对象
Thread t = new Thread( runnable );
t.setName("t1");
// 启动线程
 t.start();
log.debug("main running");

Java 8 以后可以使用 lambda 精简代码，一个接口只有一个方法的时候才能使用lambda

// 创建任务对象 
Runnable task2 = () -> {log.debug("hello");};

// 参数1 是任务对象; 参数2 是线程名字，推荐 
Thread t2 = new Thread(task2, "t2"); 
t2.start();

小结:

方法1 是把线程和任务合并在了一起，方法2 是把线程和任务分开了
用 Runnable 更容易与线程池等高级 API 配合
用 Runnable 让任务类脱离了 Thread 继承体系，更灵活

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 实现 RunnableFuture接口
RunnableFuture extends Runnable, Future
Future 接口返回任务执行结果
Callable可以抛出异常

// 创建任务对象 
FutureTask<Integer> task3 = new FutureTask<>(new Callable<Integer>() {

            @Override
            public Integer call() throws Exception {
                log.debug("hello");
                Thread.sleep(2000);
                return 100;
            }
        });
//FutureTask<Integer> task3 = new FutureTask<>(() -> {
//log.debug("hello");
//return 100; 
//});
// 参数1 是任务对象; 参数2 是线程名字，推荐 
new Thread(task3, "t3").start();
// 主线程阻塞，同步等待 task 执行完毕的结果 
Integer result = task3.get(); 
log.debug("结果是:{}", result);