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多线程基础

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现代操作系统(Windows,macOS,Linux)都可以执行多任务。多任务就是同时运行多个任务,例如:

CPU执行代码都是一条一条顺序执行的,但是,即使是单核cpu,也可以同时运行多个任务。因为操作系统执行多任务实际上就是让CPU对多个任务轮流交替执行。

例如,假设我们有语文、数学、英语3门作业要做,每个作业需要30分钟。我们把这3门作业看成是3个任务,可以做1分钟语文作业,再做1分钟数学作业,再做1分钟英语作业:

fast

这样轮流做下去,在某些人眼里看来,做作业的速度就非常快,看上去就像同时在做3门作业一样

ooops

类似的,操作系统轮流让多个任务交替执行,例如,让浏览器执行0.001秒,让QQ执行0.001秒,再让音乐播放器执行0.001秒,在人看来,CPU就是在同时执行多个任务。

即使是多核CPU,因为通常任务的数量远远多于CPU的核数,所以任务也是交替执行的。

进程

在计算机中,我们把一个任务称为一个进程,浏览器就是一个进程,视频播放器是另一个进程,类似的,音乐播放器和Word都是进程。

某些进程内部还需要同时执行多个子任务。例如,我们在使用Word时,Word可以让我们一边打字,一边进行拼写检查,同时还可以在后台进行打印,我们把子任务称为线程。

进程和线程的关系就是:一个进程可以包含一个或多个线程,但至少会有一个线程。

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│Process   ││└────────┘││└────────┘││└────────┘│
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│               Operating System               │
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操作系统调度的最小任务单位其实不是进程,而是线程。常用的Windows、Linux等操作系统都采用抢占式多任务,如何调度线程完全由操作系统决定,程序自己不能决定什么时候执行,以及执行多长时间。

因为同一个应用程序,既可以有多个进程,也可以有多个线程,因此,实现多任务的方法,有以下几种:

多进程模式(每个进程只有一个线程):

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│Process   │ │Process   │ │Process   │
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││ Thread ││ ││ Thread ││ ││ Thread ││
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多线程模式(一个进程有多个线程):

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│Process             │
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││ Thread ││ Thread ││
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││ Thread ││ Thread ││
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多进程+多线程模式(复杂度最高):

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│Process   ││Process   ││Process   │
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││ Thread ││││ Thread ││││ Thread ││
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││ Thread ││││ Thread ││││ Thread ││
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进程 vs 线程

进程和线程是包含关系,但是多任务既可以由多进程实现,也可以由单进程内的多线程实现,还可以混合多进程+多线程。

具体采用哪种方式,要考虑到进程和线程的特点。

和多线程相比,多进程的缺点在于:

  • 创建进程比创建线程开销大,尤其是在Windows系统上;
  • 进程间通信比线程间通信要慢,因为线程间通信就是读写同一个变量,速度很快。

而多进程的优点在于:

多进程稳定性比多线程高,因为在多进程的情况下,一个进程崩溃不会影响其他进程,而在多线程的情况下,任何一个线程崩溃会直接导致整个进程崩溃。

多线程

Java语言内置了多线程支持:一个Java程序实际上是一个JVM进程,JVM进程用一个主线程来执行main()方法,在main()方法内部,我们又可以启动多个线程。此外,JVM还有负责垃圾回收的其他工作线程等。

因此,对于大多数Java程序来说,我们说多任务,实际上是说如何使用多线程实现多任务。

和单线程相比,多线程编程的特点在于:多线程经常需要读写共享数据,并且需要同步。例如,播放电影时,就必须由一个线程播放视频,另一个线程播放音频,两个线程需要协调运行,否则画面和声音就不同步。因此,多线程编程的复杂度高,调试更困难。

Java多线程编程的特点又在于:

  • 多线程模型是Java程序最基本的并发模型;
  • 后续读写网络、数据库、Web开发等都依赖Java多线程模型。

因此,必须掌握Java多线程编程才能继续深入学习其他内容。


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