Java 从多线程到并发编程（一）——初识线程进程多线程 Thread Runnable 匿名内部类

桃扇骨 2022-10-30 05:16 170阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *  前言 ´･ᴗ･\`
     *  进程 一段静态程序 动态执行的过程
     *  进程的切换
     *  进程的状态
     *  进程与线程
     *  多进程 VS 多线程
     *  多进程的应用
     *  线程的应用 实现之一 Thread
     *  Thread实现图片下载
     *  Thead的改进 匿名内部类
     *  Thread = 线程？
     *  总结 ´◡\`

## 前言 ´･ᴗ･\` ##

线程 进程 是操作系统中一个关键部分，无论是实践的项目还是你去面试找工作，都会涉及，为基础的重中之重。面试可以通过考察多线程技术，探你操作系统的学习深度，而平常实践中，线程是否安全，高并发的解决等问题也很实际

不扯那么多，千里之行始于足下，我们一起慢慢打好基础，学习知识，掌握思维，融会贯通，格物致知。

## 进程 一段静态程序 动态执行的过程 ##

> **定义** 进程是一个具有独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。它可以申请和拥有系统资源，是一个动态的概念，是一个活动的实体。它不只是程序的代码，还包括当前的活动，通过程序计数器的值和处理寄存器的内容来表示。

说白了 进程（process）本质上是正在执行的一个程序，是容纳运行一个程序所需要**所有信息**的容器。所以这个容器里面存着代码、数据、堆栈（学过微机原理应该不陌生）

我们程序能够成为进程，主要经历有以下过程：

*  静态的代码经过编译（或者解释），
 *  转为机器码
 *  操作系统分配系统资源来运行程序，比如内存空间
 *  也就是把机器码（可运行代码）**放到**内存里面
 *  除了存可运行代码 很重要的是保存运行结果 因此很多值处在内存的**堆栈**里边 并不和代码放一起
 *  如果得到CPU的青睐 这个内存的程序就有幸能够在CPU中 被CPU计算
 *  之前所说的堆栈中的初始值也会被运输到CPU的**寄存器中** 进行相应计算
 *  如果CPU另寻新欢 想抛弃这个进程寻求下一个进程的爱（好吧就是为下一个进程计算）
 *  那CPU也会负责任的把已经计算的结果 放到刚刚进程（前男友？）空间的内存堆栈里边

> 一个计算机系统进程包括（或者说“拥有”）下列数据：  
> 程序的可运行机器码在存储器的映像  
> 分配到的存储器（通常包括虚拟内存的一个区域）  
> 存储器的内容包括可运行代码  
> 特定于进程的数据（输入、输出）  
> 调用堆栈、堆栈（用于保存运行时运数中途产生的数据）  
> 分配给该进程的资源的操作**系统描述符**，诸如文件描述符（Unix术语）或文件句柄（Windows）、数据源和数据终端。  
> **安全特性**，诸如进程拥有者和进程的权限集（可以容许的操作）  
> **处理器状态**（内文），诸如寄存器内容、物理存储器寻址等。当进程正在运行时，状态通常储存在寄存器，其他情况在存储器。

可能你还是不太理解另寻新欢的过程，换言之，这就是**进程的切换**

## 进程的切换 ##

> 进行进程切换 就是从正在运行的进程中收回处理器，然后再使**待运行**（所谓的就绪状态）进程来占用处理器。

换言之 **其实可以理解为CPU决定要为哪个进程计算**，就好像女神决定要为那个男士服务一样，如果这个男士不够格，也就是进程的优先级不够 那么CPU女王就会另寻新欢~ 之前处于就绪态的进程（备胎）就会上位。（当然这里 **并非**CPU做的决策 CPU只能计算 还有别的部分负责鉴定**进程优先级** 这里你可以这样yy理解）

所以之前的进程（前男友），存放在处理器的寄存器中的**中间数据**（主要是用于计算的）该怎么办？因为处理器的寄存器**要腾出来让其他进程使用**（让给下一位进程男士~）。那么被中止运行进程的中间数据存在何处？前男友进程的**私有堆栈**。

当然 除了用于计算的中间数据 还有很多**进程状态的信息**呢？  
首先，**进程间的切换是通过中断（interrupt）来实现的**，因此，OS维护一张**中断向量表**，也被称为**进程表**，每个进程占用一个进程表项（**进程控制块** **P**rocessing **C**ontrol **B**lock, PCB），该表项包含了进程状态的重要信息，包括程序计数器（保存了下一条指令的内存地址）、堆栈指针、内存分配状况、所打开文件的状态、账号和调度信息，简而言之囊括了所有进程状态信息。

--------------------

总之 进程男士，占用处理器女神，第一步就是把进程存放在私有堆栈中的数据，也就是前一次进程男士被中止（被抛弃）时的中间数据，再插入（复制移动MOV）到处理器女神的寄存器中去，同时查进程表，恢复之前的进程状态，  
尤其是上次待运行 但没来得及运行的进程的断点（代码指针） 也就是上次没计算完 没做完的标记 送入处理器的程序指针PC，于是处理器开始接着上次的部分运行。

因此 切换包含了**清理旧进程**（该拿走的赶紧拿走 本CPU不存）以及**接纳新进程**（把数据和PC指针都注入进来吧~），换言之，也就是女神抛弃前男友和接入新男友两个部分

## 进程的状态 ##

进程执行时的间断性，决定了进程可能具有多种状态。就类似男士是单身，还是已经有女朋友，还是被暂时抛弃，这几种情感状态一样~

1）**就绪状态（Ready）**—— 单身  
进程已获得除处理器外的所需资源，等待处理器女神；只要分配了处理器，进程就可执行。

注意 就绪进程具有不同的优先级，会形成队列，就类似女神会给她的备胎们排序，对于进程而言，当一个进程由于时间片用完而进入就绪状态时，就会排入低优先级队列；当进程由I/O操作完成而进入就绪状态时，则会排入高优先级队列。

2）**运行状态(Running)**——已有女朋友  
进程占用处理器资源；

当然 如果 在没有**其他进程可以执行时**(如所有进程都在阻塞状态)，通常会自动执行系统的空闲进程 类似CPU会自己干自己的2333。

3）**阻塞状态(Blocked)**——不举  
由于进程等待某种条件（如I/O操作或进程同步），在条件满足之前无法继续执行。该事件发生前即使把处理器资源分配给该进程，也无法运行，因为还缺少其他必要条件。所以，“CPU觉得和他生活在一起太无聊”，另寻新欢，切换到别的进程。

## 进程与线程 ##

[这里可以参考阮一峰大佬（竟然与大佬同姓）的文章，讲比较生动有趣][Link 1]

## 多进程 VS 多线程 ##

首先，进程起初是具有两项功能的——独立分配资源 与 被调度分派执行。既然能够被调度与分派执行，自然有多进程一说

但问题是，效率太低，试想，进程是具有独立系统资源的，比如一大块内存，如果频繁调度进程，会造成很多内存碎片——无论是扩容还是缩减，相对的，如果我们在进程下边还设计一个线程，线程来被调度，而且一个进程下边的线程共享进程资源，那么调度起来系统的开销就会小很多

因此后面，进程仅仅作为系统资源**分配**的**独立单位**，而把调度执行任务赋予线程。正如刚刚说说，进程不建议被频繁地切换，频繁的开辟内存空间，又频繁的更改中断进程表，因为系统维护起来很蛋疼。而线程作为系统**调度**和分派的基本单位，使用进程共享的内存资源，能轻装运行，会被频繁地调度和切换。

当然后面学到线程池的时候我们会清楚，即便是线程，我们系统为了极致性能，也不考虑运行时真的频繁创建销毁线程，而是开辟所谓**线程池**，预先准备好很多线程 以备需要。

## 多进程的应用 ##

虽然我们听的最多的是多线程，但并非没有采用多进程的案例，其实我们熟悉的负载均衡软件nginx就是采用单线程多进程的方式来工作的，原因，

一方面是，他属于**IO密集型**，而非计算密集型，多线程的性能提升效果不明显。

另一方面是为了高可用。我们或许不知道**多线程也有弊端**，很明显，多线程共享同一个进程资源，会造成隐患，即一个线程占用过多系统资源会导致整个进程的崩溃，因此，这并不可靠。而Nginx 要保证它的高可用 高可靠性,，当某一个第三方模块引发了一个地址空间导致的断错时 (eg: 地址越界), 会导致整个Nginx所有服务全部挂掉。

所以多进程不会有这个问题吗？没错，只要所有进程加起来的使用量不超过服务器的负荷，就没有太大问题。因此当采用多进程来实现时, 往往不会出现这个问题.

当然，**计算密集型应用是最常见的，因此很多应用会采用多线程**，相对的，多进程就提的很少了。

## 线程的应用 实现之一 Thread ##

我们有三种方式来实现线程

*  Thread继承
 *  Runnable接口实现
 *  Callable接口实现

先来聊聊Thread继承这种方式（基础）

我们直观感受多线程 跑个小demo就好：

**Run函数与Start函数**  
经典 区别就是 run函数就是直接调用（传统执行方式） 而start则具有多线程的效果

对比一下，我们把叫喵 miao（类名为thread\_first）作为一个线程，叫汪 wang作为主线程，然后测试如下代码, 在主线程运行的同时，使用`thread_first.start()` 代码如下：

package com.base.threadlearning;
    
    public class thread_first extends Thread{
        
        @Override
        public void run(){
        
            for (int i = 0; i < 20; i++) {
        
                System.out.println("miao"+i);
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) {
        
            thread_first thread_first = new thread_first();
            thread_first.start();
    
            for (int i = 0; i < 20; i++) {
        
                System.out.println("wang"+i);
            }
        }
    }

如果像这样 我们用start来执行线程thread\_first 那么可以实现与主线程交替执行的多线程效果：

wang0
    miao0
    wang1
    miao1
    wang2
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    miao2
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    wang19

如果使用run 那就是单纯执行而已 如下：

miao0
    miao1
    miao2
    miao3
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可见thread\_first先执行了

为什么start可以多线程而run不行？  
start的底层就包含了**创建线程的过程**，而run则只是把我们override里边的程序执行罢了

## Thread实现图片下载 ##

前面那个例子有点尬 也就是直观体验一下 现在来个稍微有点用的例子 下载图片。首先实现一下，下载功能的对象

package com.base.threadlearning.download_pic;
    
    import org.apache.commons.io.FileUtils;
    
    import java.io.File;
    import java.io.IOException;
    import java.net.URL;
    
    public class Downloader {
        
        public void download(String url, String name){
        
    
            try {
        
                FileUtils.copyURLToFile(new URL(url),new File(name));
            } catch (IOException e) {
        
                e.printStackTrace();
                System.out.println("download failed");
            }
        }
    
    }

然后我们来写Thread 的demo 验证一下两个问题  
1 先start的线程一定先执行嘛？如果不是 那是谁决定顺序呢？  
2 效率真的有提升吗？（时间减少）

我们编写demo 如下

package com.base.threadlearning.download_pic;
    
    public class Thread_download_pic extends Thread{
        
        private String url;
        private String name;
        public Thread_download_pic(String url, String name){
        
            this.name = name;
            this.url = url;
        }
        @Override
        public void run(){
        
            Downloader downloader = new Downloader();
            downloader.download(url,name);
            System.out.println("download "+name+" done");
    
        }
    
        public static void main(String[] args) {
        
            String _url = "https://timgsa.baidu.com/timg?image&quality=80&size=b9999_10000&sec=1604058853499&di=65a5ee6cea043252fd2385db8658e11f&imgtype=0&src=http%3A%2F%2Fcdn.duitang.com%2Fuploads%2Fitem%2F201410%2F17%2F20141017162807_4JuXA.thumb.700_0.jpeg";
            String _name = "D:\\Users\\Ryan\\IdeaProjects\\jvm_base_knowledge\\src\\main\\java\\com\\base\\threadlearning\\download_pic\\saber\\";
            Thread_download_pic thread_download_pic_1 = new Thread_download_pic(_url,_name+"1.jpg");
            Thread_download_pic thread_download_pic_2 = new Thread_download_pic(_url,_name+"2.jpg");
            Thread_download_pic thread_download_pic_3 = new Thread_download_pic(_url,_name+"3.jpg");
    
            thread_download_pic_1.start();
            thread_download_pic_2.start();
            thread_download_pic_3.start();
        }
    }

下载的名称与路径\_name 你们可以自定义 我这里也不隐藏我的绝对路径了 反正黑客破解了也找不到什么值钱的东西2333：）

这里注意 我下载器这个类对象Downloader是**单独拉出来**一个文件放置的  
毕竟只要和main所在类Thread\_download\_pic 同一目录 可以直接调用 当然你把它放在里面当成内部类也可以 我是为了方便共同调用 抽离出来而已（我们后面还要用Runnnable Callable来实现这个demo）  
目录结构如图：  
![在这里插入图片描述][20210217174347805.png]  
然后我们运行 可以明确 **先start与后start确实不影响线程执行的顺序**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzE3ODgyOA_size_16_color_FFFFFF_t_70]

实际上是CPU轮询线程 **CPU决定线程执行的先后** 但是放心 谁先执行都一样 因为CPU频率太高 **几乎可以看成同时执行**，当然 这与真正的并行还相差甚远，尤其没有耗时操作的时候，这类**单核CPU**跑多线程和单线程效果几乎相同，但是我们这个应用因为有网络请求这种耗时操作 故具有优化的空间

如果是多核CPU那就真正实现了完全或者部分多线程 不过。。核数往往不太可能超过线程数

## Thead的改进 匿名内部类 ##

上面下载图片的案例中，我们其实巧妙地运用了一点设计模式，通过传入url，实现只需要一个类就完成三个Thread 图片下载机器人的实例化，而如果写死url，那么你将会需要三个类，有多少机器人你就得写多少类。而且有些情况，因为类的实现各有不同，没办法利用模板思维，而是只能写n个类的情况，如下：

class FirstRobot extends Thread{
        
        @Override
        public void run(){
        
            System.out.println("I am the first robot");
        }
    }
    
    class SecondRobot extends Thread{
        
        @Override
        public void run(){
        
            System.out.println("I am the first robot");
        }
    }
    
    class ThirdRobot extends Thread{
        
        @Override
        public void run(){
        
            System.out.println("I am the first robot");
        }
    }

这时代码变得有点臃肿——类泛滥了

这时我们可以采用匿名内部类的方式，避免类的泛滥。采用这个方法的根本在于，这个类其实**只使用一次，而且没有复用**，代码如下

Thread robot1 = new Thread(){
        
                @Override
                public void run() {
        
                    super.run();
                    System.out.println("I am the first robot");
                }
            };
    
            Thread robot2 = new Thread(){
        
                @Override
                public void run() {
        
                    super.run();
                    System.out.println("I am the second robot");
                }
            };
            Thread robot3 = new Thread(){
        
                @Override
                public void run() {
        
                    super.run();
                    System.out.println("I am the third robot");
                }
            };
            robot1.start();
            robot2.start();
            robot3.start();

## Thread = 线程？ ##

请注意一个问题，很多兄弟会误认为，这个类如果继承了Thread对象，他就是线程本身了：）

其实继承Thread类的这个线程类Thread，只是我们jvm里边，**对应那个线程的“外壳对象”罢了**，我们通过这个对象来配置这个线程的执行内容（任务内容）以及设定其状态，但这个对象和线程绝不是一个东西

我这里补充一下整个底层的过程：

*  首先 创建Thread对象
 *  对象实例执行**start**方法 注意这是个本地**native**方法 这时线程还没有真正被创建出来
 *  既然是native方法 我们知道java底层是C实现的 这里我们的start方法就是调用了**JNI**（Java Native Interface）
 *  那底层代码实现了啥？自然是向**OS申请分配资源 创建线程**，
 *  如果申请成功 则回调函数**run**得以执行 这样我们给此线程配置的任务就能执行

现在知道为啥要override run方法了吧？

## 总结 ´◡\` ##

其实很多细节存在问题 尤其是统计运行时间这个方面 我学习还不够深入 见谅

下一节我们将看到 单继承Thread的局限性，以及其多样的解决方案。

[下一节 Java 从多线程到并发编程（二）——Runnable Callable][Java _Runnable Callable]

*  本文专栏
    
     *  [Java专栏][Java]
 *  我的其他专栏 希望能够帮到你 ( •̀ ω •́ )✧
    
     *  [MySQL专栏][MySQL]
     *  [手把手带你学后端（服务端）][Link 2]
     *  [python应用][python]
 *  谢谢大佬支持! 萌新有礼了：）

[Link 1]: http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/04/processes_and_threads.html
[20210217174347805.png]: /images/20221024/4141966835d94ac686f50d2b9e4780f4.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzE3ODgyOA_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221024/8d6c9e7eab504c65abb5f887f279136c.png
[Java _Runnable Callable]: https://blog.csdn.net/weixin_43178828/article/details/113836503
[Java]: https://blog.csdn.net/weixin_43178828/category_10370800.html
[MySQL]: https://blog.csdn.net/weixin_43178828/category_9681934.html
[Link 2]: https://blog.csdn.net/weixin_43178828/category_9705593.html
[python]: https://blog.csdn.net/weixin_43178828/category_9684088.html