并发编程专题-并发与多线程

Posted 2021-12-18

1.并发

1.1 并发与并行

首先介绍一下并发与并行，两者虽然只有一字之差，但实际上却有着本质的区别，其概念如下：

• 并行性（parallel）：指在同一时刻，有多条指令在多个处理器上同时执行；
• 并发性（concurrency）：指在同一时刻只能有一条指令执行，但多个进程指令被快速轮换执行，使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果。

在操作系统中，安装了多个程序，并发指的是在一段时间内宏观上有多个程序同时运行，这在单 CPU 系统中，每一时刻只能有一道程序执行，即微观上这些程序是分时的交替运行，只不过是给人的感觉是同时运行，那是因为分时交替运行的时间是非常短的。

而在多个 CPU 系统中，则这些可以并发执行的程序便可以分配到多个处理器上（CPU），实现多任务并行执行，即利用每个处理器来处理一个可以并发执行的程序，这样多个程序便可以同时执行。目前电脑市场上说的多核 CPU，便是多核处理器，核越多，并行处理的程序越多，能大大的提高电脑运行的效率。

注意：单核处理器的计算机肯定是不能并行的处理多个任务的，只能是多个任务在单个CPU上并发运行。同理,线程也是一样的，从宏观角度上理解线程是并行运行的，但是从微观角度上分析却是串行运行的，即一个线程一个线程的去运行，当系统只有一个CPU时，线程会以某种顺序执行多个线程，我们把这种情况称之为线程调度。

1.2 顺序编程与并发编程

我们在解决编程问题时，通常使用顺序编程来解决，即程序中的所有事物在任意时刻都只能执行一个步骤。然而对于某些问题，我们希望能够并行地执行程序中的多个部分，来达到我们想要的效果。在单处理器机器中，我们可以将程序划分为多个部分，然后每个部分由该处理器并发执行。在多处理器机器中，我们可以将程序划分多个部分，然后每个部分分别在多个处理器上并行执行。当然为了更加充分利用CPU资源，我们也可以在多个处理器上并发执行，那么在这我们就涉及到了另一种编程模式了并发编程。并发编程又叫多线程编程。并发编程使我们可以将程序划分为多个分离的、独立运行的任务。通过使用多线程机制，每个独立任务都将由线程来驱动。一个线程就是在进程中的一个单一的顺序控制流，单个进程可以拥有多个"并发执行"的任务。这样使程序的每个任务，都好像拥有一个自己的CPU一样。但其底层机制还是是切分CPU时间，CPU都有个时钟频率，表示每秒中能执行CPU指令的次数。在每个时钟周期内，CPU实际上只能去执行一条也有可能多条指令。操作系统将进程进行管理，轮流分配每个进程很短的一段是时间但不一定是均分，然后在每个进程内部，程序代码自己处理该进程内部线程的时间分配，多个线程之间相互的切换去执行，这个切换时间也是非常短的所以通常我们不需要考虑它。

并发是指"发"，不是处理，最常见的情况就是许多人在一小段时间内都点击了你的网站，发出了处理请求。并发编程是对并发状况的应对，在单处理器和多处理器机器上都可对其进行应对，可这个处理方案和架构以及算法有关。CPU一般是分时的，会在极短的时间内不停地切换给不同的线程使用，无论多少并发都会处理下去，只是时间问题，如何提高处理效率就看采用的技术了。

1.3 并发编程的优势

如果使用得当，线程可以有效地降低程序的开发和维护等成本，同时提升复杂应用程序的性能。具体说，线程的优势有:

• 发挥多处理器的强大能力
  现在，多处理器系统正日益盛行，并且价格不断降低，即时在低端服务器和中断桌面系统中，通常也会采用多个处理器，这种趋势还在进一步加快，因为通过提高时钟频率来提升性能已变得越来越困难，处理器生产厂商都开始转而在单个芯片上放置多个处理器核。试想，如果只有单个线程，双核处理器系统上程序只能使用一半的CPU资源，拥有100个处理器的系统上将有99%的资源无法使用。多线程程序则可以同时在多个处理器上执行，如果设计正确，多线程程序可以通过提高处理器资源的利用率来提升系统吞吐率。

  • 在单处理器系统上获得更高的吞吐率
    如果程序是单线程的，那么当程序等待某个同步I/O操作完成时，处理器将处于空闲状态。而在多线程程序中，如果一个线程在等待I/O操作完成，另一个线程可以继续运行，使得程序能在I/O阻塞期间继续运行。

  • 建模的简单性
    通过使用线程，可以将复杂并且异步的工作流进一步分解为一组简单并且同步的工作流，每个工作流在一个单独的线程中运行，并在特定的同步位置进行交互。我们可以通过一些现有框架来实现上述目标，例如Servlet和RMI，框架负责解决一些细节问题，例如请求管理、线程创建、负载平衡，并在正确的时候将请求分发给正确的应用程序组件。编写Servlet的开发人员不需要了解多少请求在同一时刻要被处理，也不需要了解套接字的输入流或输出流是否被阻塞，当调用Servlet的service方法来响应Web请求时，可以以同步的方式来处理这个请求，就好像它是一个单线程程序。

  • 异步事件的简化处理
    服务器应用程序在接受多个来自远程客户端的套接字连接请求时，如果为每个连接都分配其各自的线程并且使用同步I/O，那么就会降低这类程序的开发难度。如果某个应用程序对套接字执行读操作而此时还没有数据到来，那么这个读操作将一直阻塞，直到有数据到达。在单线程应用程序中，这不仅意味着在处理请求的过程中将停顿，而且还意味着在这个线程被阻塞期间，对所有请求的处理都将停顿。为了避免这个问题，单线程服务器应用程序必须使用非阻塞I/O，但是这种I/O的复杂性要远远高于同步I/O，并且很容易出错。然而，如果每个请求都拥有自己的处理线程，那么在处理某个请求时发生的阻塞将不会影响其他请求的处理。

    在实际应用中，多线程是非常有用的，一个浏览器必须能同时下载多个图片；一个Web服务器必须能同时响应多个用户请求；Java虚拟机本身就在后台提供了一个超级线程来进行垃圾回收；图形用户界面(GUI)应用也需要启动单独的线程从主机环境收集用户界面事件……总之，多线程在实际编程中的应用是非常广泛的。

2.进程和线程

• 进程：是指一个内存中运行的应用程序，每个进程都有一个独立的内存空间，一个应用程序可以同时运行多个进程；进程也是程序的一次执行过程，是系统运行程序的基本单位；系统运行一个程序即是一个进程从创建、运行到消亡的过程。进程可以理解为受操作系统管理的基本运行单元。360浏览器是一个进程、WPS也是一个进程，正在操作系统中运行的".exe"都可以理解为一个进程。

• 线程：线程是进程中的一个执行单元，负责当前进程中程序的执行，一个进程中至少有一个线程。一个进程中是可以有多个线程的，这个应用程序也可以称之为多线程程序。
  进程中独立运行的子任务就是一个线程。像QQ.exe运行的时候就有很多子任务在运行，比如聊天线程、好友视频线程、下载文件线程等等。
  
  简而言之：一个程序运行后至少有一个进程，一个进程中可以包含多个线程。

  3.多任务、多进程、多线程

  几乎所有的操作系统都支持同时运行多个任务，一个任务通常就是一个程序，每个运行中的程序就是一个进程。当一个程序运行时，内部可能包含了多个顺序执行流，每个顺序执行流就是一个线程。

  3.1 多进程

  实现并发最直接的方式是在操作系统级别使用进程，进程是运行在它自己的地址空间内的自包容的程序。多任务操作系统可以通过周期性地将CPU从一个进程切换到另一个进程，来实现同时运行多个进程。 尽管对于一个CPU而言，它在某个时间点只能运行一个进程，但CPU可以在多个进程之间进行轮换执行，并且CPU的切换速度极高，使我们无法感知其切换的过程，就好像有多个进程在同时执行。
  几乎所有的操作系统都支持进程的概念，所有运行中的任务通常对应一个进程(Process)。当一个程序进入内存运行时，即变成一个进程。进程是处于运行过程中的程序，并且具有一定的独立功能，进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。一般而言，进程包含如下3个特征。

■ 独立性：进程是系统中独立存在的实体，它可以拥有自己独立的资源，每一个进程都拥有自己私有的地址空间。在没有经过进程本身允许的情况下，一个用户进程不可以直接访问其他进程的地址空间。
■ 动态性：进程与程序的区别在于，程序只是一个静态的指令集合，而进程是一个正在系统中活动的指令集合。在进程中加入了时间的概念，进程具有自己的生命周期和各种不同的状态，这些概念在程序中部是不具备的。
■ 并发性：多个进程可以在单个处理器上并发执行，多个进程之间不会互相影响。

3.2 多线程

3.2.1 多线程概述

多线程则扩展了多进程的概念。使得同一个进程中也可以同时并发处理多个任务。线程(Thread)也被称作轻量级进程（Lightweight Process）。线程是进程的执行单元，就像进程在操作系统中的地位一样，线程在程序中是独立的、并发的执行流。当进程被初始化后，主线程就被创建了。对于绝大多数的应用程序来说，通常仅要求有一个主线程，但也可以在该进程内创建多条顺序执行流，这些顺序执行流就是线程，每个线程也是互相独立的。

线程是进程的组成部分，一个进程可以拥有多个线程，一个线程必须有一个父进程。线程可以拥有自己的堆栈、自己的程序计数器和自己的局部变量，但不拥有系统资源，它与父进程的其他线程共享该进程所拥有的全部资源。因为多个线程共享父进程里的全部资源，因此编程更加方便；但必须更加小心，我们必须确保线程不会妨碍同一进程里的其他线程。

3.2.2 多线程机制

线程模型为编程带来了便利，它简化了在单一程序中同时交织在一起的多个操作的处理。在使用线程时，CPU将轮流给每个任务分配其占用时间。每个任务都觉得自己在一直占用CPU，但事实上CPU时间是划分成片段分配给了所有的任务。线程的一大好处是可以使你从这个层次抽身出来，即代码不必知道它是运行在具有一个还是多个CPU的机器上。所以，使用线程机制是一种建立透明的、可扩展的程序的方法，如果程序行得太慢，为机器增添一个CPU就能很容易地加快程序的运行速度。多任务和多线程往往是使用多处理器系统的最合理方式。

3.2.3 多线程调度

线程可以完成一定的任务，可以与其他线程共享父进程中的共享变量及部分环境，相互之间协同来完成进程所要完成的任务。线程是独立运行的，它并不知道进程中是否还有其他线程存在，线程的执行是抢占式的，也就是说，当前运行的线程在任何时候都可能被挂起，以便另外一个线程可以运行。

一个线程可以创建和撤销另一个线程，同一个进程中的多个线程之间可以并发执行。从逻辑角度来看，多线程存在于一个应用程序中，让一个应用程序中可以有多个执行部分同时执行，但操作系统无须将多个线程看作多个独立的应用，对多线程实现调度和管理以及资源分配。线程的调度和管理由进程本身负责完成。

纳起采可以这样说：操作系统可以同时执行多个任务，每个任务就是进程；进程可以同时执行多个任务，每个任务就是线程。简而言之，一个程序运行后至少有一个进程，一个进程里可以包含多个线程，但至少要包含一个线程。