并发编程基础篇——第一章（并发相关基础概念理解）

2024-06-09 21:33:57

其实讲到并发编程，有时候会问自己为什么要去做这些知识的积累和沉淀，可能我们做业务的在职业生涯里，并不会经常使用到这些所谓的多线程编程，顶多可能开一个线程，去执行个任务，又或者通过定时器触发某个业务，实际的业务开发中，几乎很少用到这类知识。相反，对于一些大厂的中间件开发团队，或者底层的开发工程师甚至架构师，都一定是很熟悉并发编程，甚至精通；所以我认为，有必要整理出来，作为架构师路上的自己一份积累和鼓励，日后可以多回顾，不为面试，只为做更好的自己！

1、大纲简介

本章开始进行由浅入深的讲解，深度剖析并发编程底层的相关原理，大纲简介如下：

2、预备知识和环境

希望你不是一个零基础初学者

线程安全问题，需要你接触过 Java Web开发、Jdbc开发、Web服务器、分布式框架时才会遇到

基于 JDK 8，最好对函数式编程、lambda 有一定了解

采用了 slf4j 打印日志，这是好的实践

采用了 lombok 简化 java bean 编写

给每个线程好名字，这也是一项好的实践

环境我这里采用Maven，其他的代码后续贴出。

3、什么是进程

首先，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。那么谁来干这些事情呢？所以出现了进程，进程是用来加载指令、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；记事本可以开多个分别运行，浏览器也可以开多个，但是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；没见过开两个360在杀毒的吧？由程序本身的性质决定。

4、什么是线程

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，在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。

那么进程和线程的区别在哪里？

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，而这个变量存在一个Java虚拟机进程中。

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，但是也要消耗资源。

5、什么是并发和并行

讲并发前我先给个图，在单核 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，给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

而在多核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。

引用 Rob Pike 的一段描述：

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；

6、什么是同步和异步

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

举个例子，左边的log发日志要等FileReader读完后，才会打印，而右边开个线程，由cpu自行调度，不影响下面的log执行。

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...

再举个例子，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

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，单核仍然时是轮流执行。

7、小结

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，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，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。

下一节开始Java线程的讲解。

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