掌握系列之并发编程-1.并发基础

Posted 2022-07-02

掌握高并发、高可用架构

第二课 并发编程

从本课开始学习并发编程的内容。主要介绍并发编程的基础知识、锁、内存模型、线程池、各种并发容器的使用。

第一节 并发基础

并发编程 并发基础 进程 线程 线程通信

系统、包括操作系统的运行是以CPU为核心的，各种数据操作都是在CPU中进行的。所以要学习并发编程，必须要搞清楚和CPU的关系。

CPU简介

经常说CPU是4核8线程的，这个的意思是4个物理核心，每个物理核心虚拟出2个虚拟核心，也就是8个虚拟核心 。每个虚拟核心在一个时刻只能运行一个线程。

进程和线程

进程的定义：程序被载入内存并开始准备执行，它就是一个进程，也就是说进程是执行中的程序代码。进程是资源分配和程序调度运行的基本单位。

线程的定义：单个进程中执行每个任务就是一个线程。线程是进程中执行运算的最小单位。

一个线程只能属于一个进程，一个进程可以拥有多个线程。多线程处理就是允许一个进程中在同一时刻执行多个任务（线程）。

对比	进程	线程
定义	进程是程序实体的运行过程，是系统资源分配和调度运行的基本单位	线程是进程执行任务的最小调度单位
系统开销	创建切换开销大，资源要重新分配和回收	仅保存少量寄存器的内容，开销小，并且在进程的地址空间执行代码
占有资源	拥有分配的所有资源	基本不占资源，仅有其运行不可少的资源（程序计数器、一组寄存器和栈)
安全性	进程间相互独立	线程间共享进程的资源，可以互相通信和影响

CPU线程调度

大多数的应用程序为了提高其执行效率，而采用多线程模式。充分利用CPU的核心来实现高效率运行。那是不是最大只能同时开启8个线程呢？如果想开启更多线程，可以吗？CPU内部该如何处理呢？

对于4核8线程的CPU来说，如果只起8个线程，每个虚拟内核都各自执行一个线程，这是最简单的高效率利用方式。但是在实际使用时这是不可能的。首先，计算机硬件必须有操作才能运行，而操作系统启动后在运行过程中必不可少的要执行各种任务；其次，个人运行的程序也是要启动线程来执行各种各样的任务调度。所以，对于一台电脑，不管是个人PC还是服务器，其真正运行的线程肯定是多于CPU的内核数的，那它是如何保证各个任务流畅运行的呢？

这就是CPU的线程调度。采用一定的算法把CPU的使用权合理的分配给线程，使得任务执行。

有两种调度模型，分时调度和抢占式调度。

分时调度模型是指让所有的线程轮流获得CPU的使用权，并且平均分配每个线程占用的CPU时间片。

抢占式调度模型是指优先让运行池中优先级最高的线程占用CPU，如果优先级相同，则随机选择一个线程来占用CPU。处于运行中状态的线程会一直运行，直到它不得不放弃CPU。

JVM采用抢占式调度。

一个线程会因为以下原因而放弃CPU：

1. JVM使其暂时放弃CPU，转入就绪状态
2. 阻塞
3. 执行结束

串行、并行和并发

串行：是指多个任务，一个执行完接着一个

并行：每个核心执行一个任务，同一时刻多个任务同时执行

并发：多个任务在单核心上执行，同一时刻只有一个任务，系统不停的切换任务，看起来像是同时执行，实际上是不停的切换

多核下的线程数量选择

对于计算密集型任务，线程数量不宜过多，因为本身任务就是高CPU利用率，线程多的话，会因为上下文切换而浪费资源。对于IO密集型任务，比如磁盘IO和网络IO，因为任务是低CPU利用率，所以可以适当多开线程。