Java的并发编程1

Java的并发编程1

一、进程与线程

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。
• 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

二者对比

• 进程基本上是相互独立的，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
  • 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

3、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）分给不同的线程使用，只是由于cpu在线程间（时间片很短）的切换非常快，人类就感觉是同时运行的。总结就是一句话：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，每个核都可以调度运行线程，这时候线程是可以并行的

并发和并行的描述：

• 并发是同一时间应对多件事情的能力
• 并行是同一时间动手做多件事情的能力

4、异步调用

从方法调用的角度来讲，如果：

• 需要等待结果返回，才能继续运行的就是同步
• 不需要等待结果返回，才能继续运行的就是异步

注意：同步在多线程中还有另外一层意思，是让多个线程步调一致

1）设计

多线程可以让方法执行变为异步的（即不要干巴巴等着）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秒调用者什么都做不了，其代码都得暂停…

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

操作大文件一般都要开启新线程

多核cpu才能提升效率，单核仍然是轮流执行

• 单核cpu下，多线程不能实际提高程序运行效率，只能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
  • 也并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，但是需要一直等待IO结束，没有充分利用线程。所以才有后面的【非阻塞IO】和【异步IO】优化

二、Java线程

1、创建和运行线程

方法一：直接使用Thread

就是继承Thread类

// 创建线程对象  可以直接给构造方法设置参数指定线程的名字
Thread t = new Thread("t1") {@Override// run 方法内实现了要执行的任务public void run() {// 要执行的任务}
};
// 启动线程
t.start();

方法二：使用Runnable配合Thread

需要实现Runnable接口

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）

// 创建任务对象
Runnable runnable = new Runnable() {@Overridepublic void run() {// 要执行的任务}
};
// 创建线程对象   参数1-是任务对象  参数2-线程名字
Thread t2 = new Thread(runnable, "t2");
// 启动线程
t2.start();

Java 8以后可以使用lambda精简代码：

// 创建任务对象
Runnable task2 = () -> log.debug("Hello");Thread t2 = new Thread(task2, "t2");
t2.start();

Lambda表达式：

Lambda 本质上是一种 语法糖，它用来简化 函数式接口（functional interface）的写法。说白了，它就是 把匿名内部类的写法变得更简洁。

例子（匿名内部类写法）：

Runnable r = new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println("Hello Lambda");}
};

Lambda写法：

Runnable r = () -> System.out.println("Hello Lambda");

Lambda只能用在函数式接口：

• 函数式接口：只包含一个抽象方法的接口
• 一般这种接口会有注解@FunctionalInterface，但是注解不是必须的，但加上可以帮助编译器检查，保证接口只有一个抽象方法。

Runnable接口就是函数式接口，故可以简化

Thread与Runnable的关系：

• 方法一是把线程和任务合并在一起，方法二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（间接实现了Runnable接口）

// 创建任务对象
FutureTask<Integer> task = new FutureTask<>(() -> {log.debug("running");return 100;
});Thread thread = new Thread(task);
thread.start();// get会阻塞线程 主线程阻塞，同步等待task执行完毕的结果
Integer result = task.get();
log.debug("结果是:{}", result);

2、线程的查看和杀死

Windows：

• 任务管理器中可以查看进程和线程数，也可以用来杀死进程
• tasklist可以查看进程
• taskkill杀死进程

• PID对应的就是进程ID，故要杀死指定的进程时：taskkill /F /PID 55520：/F表示强制杀死，最后输入指定的进程ID

• 可以输入tasklist | findstr java查找含有java的进程

linux：

• ps -fe查看所有进程
• ps -fT -p <PID>查看某个进程（PID）的所有线程
• kill杀死进程
• top按大写H切换是否显示线程
• top -H -p <PID>查看某个进程（PID）的所有线程

可以输入ps -fe | grep java查找含有java的进程

Java

• jps命令查看所有的Java进程
• jstack <PID>查看某个Java进程（PID）的所有线程状态
• jconsole来查看某个Java进程中线程的运行情况（图形界面）

jconsole远程监控配置

​ jconsole 是 Java 提供的一个监控和管理工具，属于 JDK 的一部分。它用于监控 Java 应用的性能、资源使用情况，以及 JVM（Java Virtual Machine）的状态。

启动使用 win + R 输入jconsole即可启动：

• 如果需要远程连接（比如连接在虚拟机上启动Java进程），就按照以下的方法在虚拟机中运行自己的java程序：

  java -Djava.rmi.server.hostname=`ip地址` -Dcom.sun.management.jmxremote -
  Dcom.sun.management.jmxremote.port=`连接端口` -Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=是否安全连
  接 -Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=是否认证 java类
  

  这里取消安全连接和认证，都填成false，连接端口都可以，ip地址就写这个虚拟机的端口即可，java类改成自己想要运行的java类（注意：如果连接不上可能是虚拟机中防火墙没关）

• 修改/etc/hosts文件将127.0.0.1映射至主机名

如果要认证访问，还需要做如下步骤：

• 复制jmxremote.password文件
• 修改jmxremote.password和jmxremote.access文件的权限为600即文件所有者可 读写
• 连接时填入controlRole（用户名），R&D（密码）

3、线程运行的原理

3.1 栈与栈帧

Java Virtual Machine Stacks（Java虚拟机栈）

JVM是由堆、栈、方法区所组成，其中当每个线程启动后，虚拟机就会为其分配一块栈内存。

• 每个栈由多个栈帧Frame组成，对应着每次方法调用时所占用的内存
• 每个线程只能有一个活动栈帧，对应着当前正在执行的那个方法
• 每个线程的活动栈帧互不影响，因为线程都有独立的虚拟机栈
• 共享堆上的对象才会导致线程间相互影响，这就是需要加锁/并发控制的地方

3.2 线程上下文切换（Thread Context Switch）

因为以下一些原因导致cpu不再执行当前的线程，转而执行另一个线程的代码：

• 线程的cpu时间片用完
• 垃圾回收
• 有更高优先级的线程需要运行
• 线程自己调用了sleep、yield、wait、join、park 、synchronized、lock等方法

当Context Switch发生时，需要由操作系统保存当前线程的状态，并恢复另一个线程池的状态，Java中对应的概念就是程序计数器（Program Counter Register），它的作用是记住下一条jvm指令的执行地址，是线程私有的

• 状态包括程序计数器、虚拟机栈中每个栈帧的信息，如局部变量、操作数栈、返回地址等
• Context Switch频繁发生会影响性能，（所以不是线程池中线程越多越好，合适的数量才行）

4、常用方法

方法名	static	功能说明	注意
start()		启动一个新线程，在新的线程运行run方法中的代码	start方法只是让线程进入就绪，里面代码不一定立刻运行（CPU的时间片还没分给它）。每个线程对象的start方法只能调用一次，如果调用了多次会出现IllegalThreadStateException
run()		新线程启动后会调用的方法	如果在构造Thread对象时传递了Runnable参数，则线程启动后会调用Rumnable中的run方法，否则默认不执行任何操
join()		等待线程运行结束
join(long n)		等待线程运行结束，最多等待 n 毫秒
getId()		获取线程长整型的id	id唯一
getName()		获取线程名
setName()		修改线程名
getPriority()		获取线程优先级
setPriority(int)		修改线程优先级
getState()		获取线程状态	Java中线程状态是用6个enum表示，分别为：NEW，RUNNABLE,BLOCKED,WAITING,TIMED_WAITING,TERMINATED
isInterrupted()		判断是否被打断	不会清除打断标记
isAlive()		线程是否存活（还没有运行完毕）
interrupt()		打断线程	如果被打断线程正在sleep，wait，join会导致被打断的线程抛出InterruptedException，并清除打断标记；如果打断的正在运行的线程，则会设置打断标记；park的线程被打断，也会设置打断标记
interrupted()	static	判断当前线程是否被打断	会清除打断标记
currentThread()	static	获取当前正在执行的线程
sleep(long n)	static	让当前执行的线程休眠n毫秒，休眠时让出cpu 的时间片给其它线程
yield()	static	提示线程调度器让出当前线程对CPU的使用	主要是为了测试和调试