Java并发编程：进程、线程、并行与并发

一谈到Java并发编程，我们一般就会联想起进程、线程、并行、并发等等概念。那么这些概念都代表什么呢？进程与线程有什么关系？并发与并行又是什么关系呢？

进程与线程

进程是指程序的一次动态执行过程，通常我们说计算机中正在执行的程序就是进程，每个程序都会对应着一个进程。一个进程包含了从代码加载到执行完成的一个完整过程，它是操作系统资源分配最小单元。

而线程则是比进程更小的执行单位，是CPU调度和分派的基本单位。每个进程至少有一个线程，反过来一个线程只能属于一个进程，线程可以对进程所有的资源进行调度和运算。线程既可以由操作系统内核来控制调度，也可以由用户程序进行控制调度。

根据下图可以看到，多个CPU会去执行这三个进程。其中每个进程都包含着至少一个线程，比如进程1包含了四个线程，进程2和进程3包含一个线程。此外，每个进程都有自己的资源，而进程内的所有线程都共享进程包含的资源。

并发与并行

并发和并行都可以是相对于进程或是线程来说。并发是指一个或若干个CPU对多个进程或线程之间进行多路复用，用简单的语言来说就是CPU轮着执行多个任务，每个任务都执行一小段时间，从宏观上看起来就像是全部任务都在同时执行一样。并行则是指多个进程或线程同一时刻被执行，这是真正意义上的同时执行，它必须要有多个CPU的支持。如下图是并发和并行的执行时间图。对于并发来说，线程一线执行一段时间，然后线程二再执行一段时间，接着线程三再执行一段时间。每个线程都轮流得到CPU的执行时间，这种情况下只需要一个CPU即能够实现。对于并行来说，线程一、线程二和线程三是同时执行的，这种情况下需要三个CPU才能实现。并发和并行都提升了CPU的资源利用率。

而对于Java并发，就是在Java平台上实现来实现并发机制，Java平台上提供了线程以及线程并发

多线程能提高执行效率

前面我们了解到多线程可以实现并发和并行执行，所以多线程能提升总体的效率。如果不支持多线程的话，那么当某个执行任务进入等待阻塞状态时，则可能因为阻塞而导致运行效率低下。如下图一中，一个请求任务发起请求后则开始等待响应，此时该线程占着CPU又不干活，从整个运行线上可以看到真正运行（绿色方块）的时间很少，这就是运行效率低下。但在如果支持多线程并发的情况下，则可以在等待阻塞时去干其它的活。此外，多CPU环境下，如果一个任务能够分解成多个小任务，那么就能够用多个CPU同时执行它，这样就能以更加快的速度完成任务，毕竟单个CPU运行能力有限。如下图二中，一旦将任务分解成三个小任务后，在多CPU环境下则能够并行执行，大大减少了整体执行时间。

单线程阻塞状态

多线程并行

多线程能提升用户体验

多线程也能提升用户体验，如果一个线程的任务既包含耗时的任务又包含用户交互的任务，那么则可能会导致用户体验很糟糕。如下图，假如大家看到这些窗口一直在打转又无法对其进行操作，是不是很难受？一个线程发起请求后开始等待请求结果，用户界面则一直卡着没响应。我们可以通过多线程将任务分为请求任务和界面操作两部分，这样就能在请求后保持对界面操作的响应，以便提供更好的用户体验。

多线程让编码更难

天下没有免费的午餐，多线程也是需要付出代价的。从编写代码的角度来看，多线程使得编码变得更加复杂，本质上这是因为多线程机制与现代计算机结构所带来的。纵使在编程语言设计专家的努力下，现在有很多简化多线程编程的语言和模型，但相比于单线程来说多线程的编写仍然复杂很多。数据从主存储到CPU中间有若干层缓存和寄存器，而且多个线程可能访问共享内存，这就涉及到数据同步问题，从而增加了多线程编程的复杂性。此外，线程与线程之间的通信也比较麻烦，这也增加了多线程编码的复杂性。总之，尽管很多编程语言尝试为我们提供更便捷的多线程编程，但在语言层面仍然无法完全屏蔽掉多线程与计算机结构的复杂性，所以不管我们使用什么语言都需要为多线程的编码考虑得更多。

上下文切换与资源开销

多线程除了增加编码难度外，它还在执行过程中带来实际的损耗，包括资源开销和上下文切换开销。资源开销主要包括其本身占用的内存资源、执行时线程本地栈开销以及对这些线程进行管理的开销。而上下文切换开销则是因为CPU由一个线程切换到另外一个线程是需要做现场保护和现场恢复工作，包括线程标识、寄存器内存、线程状态、线程优先级、线程资源清单等等。如下图所示，假设线程一和线程二由某个CPU执行。线程一执行一段时间后将相关信息保存到现场数据结构中，而线程数据结构存放在主存储中，然后从线程二对应的现场数据结构中恢复线程二相关信息，完成现场恢复后线程二开始执行。接下去的过程反过来，由线程二切换到线程一。其中可以看到由虚线分割的两部分被标为切换开销，从完整的时序来看，这两部分并非执行线程的任务，而是消耗在了现场的保护和恢复上了，这便是上下文切换的开销。

上下文切换

在实践中我们要综合考虑多线程的优缺点，不能一味的去追求多线程，在使用多线程之前我们必须去衡量多线程带来的好处与代价。

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