多线程最基本的概念理解

「爱情、让人受尽委屈。」 2023-07-04 11:23 21阅读 0赞

#### 背景 ####

多线程入门知识挺多的，尤其是JMM需要学习。JVM内存模型也需要学习。很多概念需要搞明白，比如进程，线程，协程，守护线程，用户线程，线程上下文切换，共享变量，局部变量，用户空间，内核空间，单例，多例等等。线程间通信表达什么意思。线程间如何交换数据。业务逻辑和线程的隔离（Runnable， Thread）。线程的生命周期。

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#### 核心概念理解 ####

*  **进程**

1.  比如Java程序一旦起来，其实就是Java进程，就会分配相应的内存结构。也有可能有多个进程，比如一些守护进程（system.gc）。
2.  在同一个JVM上可以跑很多个Java应用程序，其实就是Java进程，而且这些进程间是相互独立的。

*  **线程** 在《深入理解计算机系统》中有详细的描述

1.  在HotSpot VM线程模型中，Java线程（java.lang.Thread）被一对一映射为本地操作系统线程。Java线程启动时会创建一个本地操作系统线程；当该Java线程终止时，这个操作系统线程也会被回收。操作系统会调度所有线程并将它们分配给可用的CPU。线程是程序执行的基本单位，是CPU时间片调度的基本单位。

*  **协程**

1.  Kotlin编程语言中有协程的概念。协程开销小，无抢占式的调度。协程也是线程。协程调用切换时，将寄存器上下文和栈保存到其他地方，在切回来的时候，恢复先前保存的寄存器上下文和栈，直接操作栈则基本没有内核切换的开销，可以不加锁的访问全局变量。所以上下文切换非常快。
2.  Java编程语言是没有协程概念的，但是也是可以支持的。使用quasar.jar包。
3.  Golang编程语言中的goroutine就是轻量级的线程。与创建线程相比，创建成本和开销都很小，每个goroutine的堆栈只有几kb。

*  **守护线程**  
    守护线程有一定的保护、协助和辅助的含义。它是建立子用户线程之上的。如果用户线程全部销毁了，那么守护线程也会被销毁。Java中一个守护线程GC线程。
 *  **用户线程**  
    当Java应用程序启动后，Java进程存活于JVM中。应用程序通过java.lang.Thread类创建的线程就是用户线程。比如Executor框架中的线程池中的线程就是用户线程。
 *  **线程上下文切换**  
    操作系统采用时间片的方式对线程进行调度。同一个核心每个时刻只有一个线程在执行，多颗核心，同时就会有多个线程执行。当线程切换的时候，当前线程的状态就会保存到寄存器中，如果线程抢占到资源的时候，在恢复线程状态，并执行。
 *  **共享变量**  
    共享变量是需要考量线程安全的，比如JVM内存模型中的堆上内存，这个堆上分配的引用类型就是共享变量，同时可能会被多个线程访问，所以需要我们保证线程安全。
 *  **局部变量**  
    局部变量是线程安全的，能够为每个线程创建一份。
 *  **用户空间**  
    像Java进程一样，当启动Java应用程序后，会给Java进程就是用户空间。在这个用户空间中有分配的内存大小，有创建的用户线程。
 *  **内核空间**  
    是操作系统的概念。区别用户空间。
 *  **单例**  
    单例是线程不安全的，每个线程都会访问到同一个变量。如果单例的属性都是finall修饰的，那么是线程安全。如果不是线程安全的话，需要使用保证线程安全的知识。比如ThreadLocal, volatile, synchronized,final的运用。
 *  **多例**  
    多例是线程安全的，是为每个线程都会创建一个实例。相当于一个局部变量一样。
 *  **轻量级的线程**

1.  少一些时间片的抢占。
2.  少一些上下文的切换。
3.  执行栈直接去寄存器中拿操作指令，而不关心其他操作，比如锁之类的。

*  **Java应用程序启动线程说明**  
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1.  当非守护线程main启动的时候，后台会启动很多其他守护线程，比如Reference Handler句柄引用的守护线程，Finalizer垃圾回收的守护线程，Signal Dispatcher 信号的守护线程比如kill -9 给操作系统发送一个信号。
2.  当我们另启一个自定义线程叫Custom-Thread，这个线程跟main线程是独立的。
3.  当main线程中的逻辑执行完成后，main线程就销毁了。Custom-Thread线程正在执行。通过线程sleep时间进行调节。
4.  而当Custom-Thread线程执行完成后，Custom-Thread线程就被销毁了，main线程依然在执行。通过sleep时间进行调节。
5.  main是入口线程，在这个main线程中启动几个自定义线程，但是main的逻辑执行完成后，main线程就被销毁掉。然后其他线程继续执行。之所以能够继续执行是因为这个Java进程还在。为什么进程还在呢？是因为main在启动过程中还有启动了很多守护线程或守护进程。一旦线程全部执行完成了，则这些守护线程也没有存在的意义了，也会被销毁掉。

*  **为什么要使用多线程？**

1.  现代计算机几乎都是多核的。使用多线程可以避免硬件资源的浪费。
2.  在一个功能中。我可以启动一个线程去读文件，在启动一个线程去发出HTTP请求。解耦业务逻辑，提高程序执行速度。
3.  核心目的就是：加快程序执行速度。

*  **并发与并行**

1.  **并发**，描述的是系统中同时有多少线程在运行比如100w个线程之类的，计算机依然是需要在线程间进行上下文切换，对应CPU核来说，它依然是同一个时间点只有一个线程被执行。
2.  **并行**，描述的是系统中的线程是**同时运行**。如果要支持同时运行，则我们的CPU必须是多核心的，不然永远也无法并行。哪怕我们的CPU使用了超线程技术，它依然只能在同一个时间点，也只能执行一个线程，另一个线程还是被挂起的。

*  **线程的生命周期**

1.  new Thread(“MyThread“),创建一个线程。
2.  调用start()后，线程存活在JVM中，但是线程并不会立即执行。而只是具备可执行的状态。runnable
3.  CPU(Dispatch)分配时间片执行。
4.  running
5.  blocked
6.  terminated
7.  在CPU进行线程切换的时候，就是在running和runnable之间状态不停切换。任何一个状态都有可能变成死亡状态。是JVM调用run()方法。main线程去启动其他线程。如果是在main中直接调用线程的run方法的话，那么是不会有新的线程出现的,所以调用start方法才是启动一个新的线程。

*  **如何理解run()方法**？

1.  其实Thread使用了模板方法设计模式，并预留出run()方法。因为Thread并不知道用户的具体实现逻辑是怎样的，用户需要自己继承Thread并且重写run方法。
2.  并且这个模板方法是必须定义为final类型的，这样子类是不能复写这个方法。
3.  源码底层有native方法采用C++写的，start0()。

*  **线程其他基础信息**

1.  只要Java涉及到的线程，都只有一个Thread类。Thread类实现了Runnable接口。
2.  无论是线程池还是Java并发包下面的所有的一些关于线程的实现，都是需要使用Thread类。
3.  在实践的应用。Netty中NioEventLoop类就持有Thread类的引用。
4.  也就说，当说到线程，一定是指的java.lang.Thread。

#### 小结 ####

1.  Java应用程序的main函数是一个线程，是被JVM启动的时候调用，线程的名字叫main。
2.  实现一个线程，必须创建Thread实例， override run 方法，并且调用start方法。
3.  在JVM启动后，实际上有多个线程，但是至少有一个非守护线程。
4.  当调用一个线程start方法的时候，此时至少有两个线程，一个是启动线程的线程，还有一个是执行run方法的线程，当线程被执行了start()方法后。
5.  线程的生命周期分为：new, runnable, running, block, terminate。熟悉状态之间的转换条件。

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