多線程系列(一) -線程技術入門知識講解

一、簡介

在很多場景下，我們經常聽到採用多線程編程，能顯著的提升程序的執行效率。例如執行大批量數據的插入操作，採用單線程編程進行插入可能需要 30 分鐘，採用多線程編程進行插入可能只需要 5 分鐘就夠了。

既然多線程編程技術如此厲害，那什麼是多線程呢？

在介紹多線程之前，我們還得先講講進程和線程的概念。

二、進程和線程

2.1、什麼是進程？

從計算機角度來講，進程是操作系統中的基本執行單元，也是操作系統進行資源分配和調度的基本單位，並且進程之間相互獨立，互不干擾。

例如，我們windows電腦中的 Chrome 瀏覽器是一個進程、WeChat 也是一個進程，正在操作系統中運行的.exe都可以理解爲一個進程。

2.2、什麼是線程？

關於線程，比較官方的定義是，線程是進程中的⼀個執⾏單元，也是操作系統能夠進行運算調度的最小單位，負責當前進程中程序的執⾏。同時⼀個進程中⾄少有⼀個線程，⼀個進程中也可以有多個線程，它們共享這個進程的資源，擁有多個線程的程序，我們也稱爲多線程編程。

舉個例子，Chrome 瀏覽器和 WeChat 是兩個進程，Chrome 瀏覽器進程裏面有很多線程，例如 HTTP 請求線程、事件響應線程、渲染線程等等，線程的併發執行使得在瀏覽器中點擊一個新鏈接從而發起 HTTP 請求時，瀏覽器還可以響應用戶的其它事件。

2.3、進程和線程的關係

關於進程和線程，可能上面的解釋過於抽象，還是很難理解，下面是一段出自阮一峯老師博客文章的介紹，可能描述不是非常嚴謹，但是足夠形象，有助於我們對它們關係的理解。

1.我們都知道，計算機的核心是 CPU，它承擔了所有的計算任務。它就像一座工廠，時刻在運行；（CPU 類似於工廠）
2.假定工廠的電力有限，一次只能供給一個車間使用。也就是說，一個車間開工的時候，其他車間都必須停工。背後的含義就是，單個 CPU 一次只能運行一個任務；
3.進程就好比工廠的車間，它代表 CPU 所能處理的單個任務。任一時刻，CPU 總是運行一個進程，其他進程處於非運行狀態；（進程類似於車間）
4.一個車間裏，可以有很多工人。他們協同完成一個任務；
5.線程就好比車間裏的工人。一個進程可以包括多個線程；（線程類似於工人）
6.車間的空間是工人們共享的，比如許多房間是每個工人都可以進出的。這象徵一個進程的內存空間是共享的，每個線程都可以使用這些共享內存；（每個線程共享進程下的內存資源）
7.一個防止他人進入的簡單方法，就是門口加一把鎖。先到的人鎖上門，後到的人看到上鎖，就在門口排隊，等鎖打開再進去。這就叫"互斥鎖"（Mutual exclusion，縮寫 Mutex），防止多個線程同時讀寫某一塊內存區域；（多個線程下可以通過互斥鎖，實現資源獨佔）
8.還有些房間，可以同時容納 n 個人，比如廚房。也就是說，如果人數大於 n，多出來的人只能在外面等着。這好比某些內存區域，只能供給固定數目的線程使用；
9.這時的解決方法，就是在門口掛 n 把鑰匙。進去的人就取一把鑰匙，出來時再把鑰匙掛回原處。後到的人發現鑰匙架空了，就知道必須在門口排隊等着了。這種做法叫做 "信號量"（Semaphore），用來保證多個線程不會互相沖突。（多個線程下可以通過信號量，實現互不衝突）

不難看出，互斥鎖 Mutex 是信號量 semaphore 的一種特殊情況（n = 1時）。也就是說，完全可以用後者替代前者。但是，因爲 Mutex 較爲簡單，且效率高，所以在必須保證資源獨佔的情況下，還是採用這種方式。

2.4、爲什麼要引入線程？

早期的操作系統都是以進程作爲獨立運行的基本單位的，直到後期計算機科學家們又提出了更小的能獨立運行的基本單位，也就是線程。

那爲什麼要引入線程呢？我們只需要記住這句話：線程又稱爲迷你進程，但是它比進程更容易創建，也更容易撤銷。

引入線程之後，可以將複雜的操作進一步分解，讓程序的執行效率進一步提升。

舉個例子，進程就如同一個隨時揹着糧草和機槍的士兵，這樣肯定會造成士兵的執行戰鬥的速度。因此，一個簡單想法就是：分配兩個人來執行，一個士兵負責隨時揹着糧草，另一個士兵負責抗機槍戰鬥，這樣執行戰鬥的速度會大幅提升。這些輕裝上陣的士兵，可以理解爲我們上文提到的線程！

從計算機角度來說，由於創建或撤銷進程時，系統都要爲之分配或回收資源，如內存空間、I/O 設備等，需要較大的時間和空間開銷。

爲了減少進程切換的開銷，把進程作爲資源分配單位和調度單位這兩個屬性分開處理，即進程還是作爲資源分配的基本單位，但是把調度執行與切換的責任交給線程，即線程成爲獨立調度的基本單位，它比進程更容易（更快）創建，也更容易撤銷。

一句話總結就是：引入線程前，進程是資源分配和獨立調度的基本單位。引入線程後，進程是資源分配的基本單位，線程是獨立調度的基本單位，線程也是進程中的⼀個執⾏單元。

三、創建線程的方式

在 Java 裏面，創建線程有以下兩種方式：

繼承java.lang.Thread類，重寫run()方法
實現java.lang.Runnable接口，然後通過一個java.lang.Thread類來啓動

不管是哪種方式，所有的線程對象都必須是Thread類或其⼦類的實例，每個線程的作⽤是完成⼀定的任務，實際上就是執⾏⼀段程序流，即⼀段順序執⾏的代碼，任務執行完畢之後就結束了。

在 Java 中，通過Thread類來創建並啓動線程的步驟如下：

1.定義Thread類的⼦類，並重寫該類的run()方法
2.通過Thread子類，初始化線程對象
3.通過線程對象，調用start()方法啓動線程

下面我們具體來看看創建線程的代碼實踐。

3.1、繼承 Thread 類，重寫 run 方法介紹

/**
 * 創建一個 Thread 子類
 */
public class Thread0 extends Thread {

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            String time = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss:SSS").format(new Date());
            System.out.println(time + " 當前線程：" + Thread.currentThread().getName() + "，正在運行");
        }
    }
}

/**
 * 創建一個測試類
 */
public class ThreadTest0 {

    public static void main(String[] args) {
        // 初始化一個線程對象，然後啓動線程
        Thread0 thread0 = new Thread0();
        thread0.start();

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            String time = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss:SSS").format(new Date());
            System.out.println(time + " 當前線程：" + Thread.currentThread().getName() + "，正在運行");
        }
    }
}

輸出結果：

2023-08-23 17:58:03:726 當前線程：Thread-0，正在運行
2023-08-23 17:58:03:727 當前線程：Thread-0，正在運行
2023-08-23 17:58:03:726 當前線程：main，正在運行
2023-08-23 17:58:03:727 當前線程：Thread-0，正在運行
2023-08-23 17:58:03:727 當前線程：main，正在運行
2023-08-23 17:58:03:728 當前線程：Thread-0，正在運行
2023-08-23 17:58:03:728 當前線程：main，正在運行
2023-08-23 17:58:03:728 當前線程：Thread-0，正在運行
2023-08-23 17:58:03:728 當前線程：main，正在運行
2023-08-23 17:58:03:728 當前線程：main，正在運行

從執行時間上可以看到，main線程和Thread-0線程交替運行，效果十分明顯！

所謂的多線程，其實就是兩個及以上線程的代碼可以同時運行，而不必一個線程需要等待另一個線程內的代碼執行完纔可以運行。

對於單核 CPU 來說，是無法做到真正的多線程的；但是對於多核 CPU 來說，在一段時間內，可以執行多個任務的，由於 CPU 執行代碼時間很快，所以兩個線程的代碼交替執行看起來像是同時執行的一樣，具體執行某段代碼多少時間，就和分時機制系統有關了。

分時機制系統，簡單的說，就是將 CPU 時間劃分爲多個時間片，操作系統以時間片爲單位來執行各個線程的代碼，越好的 CPU 分出的時間片越小。

例如某個時段， CPU 將 1 秒劃分成 50 個時間片，1 個時間片耗時 20 ms，每個時間片均進行線程切換，也就是說 1 秒可以執行 50 個任務，給人的感覺好像計算機能同時處理多件事情，其實是 CPU 執行任務速度太快給人產生的錯覺感。

3.2、實現 Runnable 接口，然後通過 Thread 類來啓動介紹

/**
 * 實現 Runnable 接口
 */
public class Thread2 implements Runnable{

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            String time = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss:SSS").format(new Date());
            System.out.println(time + " 當前線程：" + Thread.currentThread().getName() + "，正在運行");
        }
    }
}

/**
 * 創建一個測試類
 */
public class ThreadTest2 {

    public static void main(String[] args) {
        // 通過一個Thread來啓動線程
        Thread thread2 = new Thread(new Thread2());
        thread2.start();

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            String time = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss:SSS").format(new Date());
            System.out.println(time + " 當前線程：" + Thread.currentThread().getName() + "，正在運行");
        }
    }
}

輸出結果：

2023-08-23 18:30:28:664 當前線程：Thread-0，正在運行
2023-08-23 18:30:28:666 當前線程：Thread-0，正在運行
2023-08-23 18:30:28:666 當前線程：Thread-0，正在運行
2023-08-23 18:30:28:664 當前線程：main，正在運行
2023-08-23 18:30:28:666 當前線程：Thread-0，正在運行
2023-08-23 18:30:28:667 當前線程：Thread-0，正在運行
2023-08-23 18:30:28:668 當前線程：main，正在運行
2023-08-23 18:30:28:668 當前線程：main，正在運行
2023-08-23 18:30:28:668 當前線程：main，正在運行
2023-08-23 18:30:28:668 當前線程：main，正在運行

效果跟上面介紹的一樣，如果循環的打印次數越多，效果越明顯！

四、線程狀態

下圖是一張從操作系統角度劃分的線程模型狀態！

線程被分爲五種狀態，各個狀態說明如下：

1.新建狀態：表示創建了一個新的線程對象，例如Thread thread = new Thread()
2.就緒狀態：比如調用線程的start()方法，就會處於就緒狀態，也被稱爲可執行狀態，隨時可能被 CPU 調度執行
3.運行狀態：獲得了 CPU 時間片，執行程序代碼。需要注意的是，線程只能從就緒狀態進入到運行狀態
4.阻塞狀態：因爲某種原因出現了阻塞，線程放棄對 CPU 的使用權，停止執行，直到阻塞事件結束，重新進入就緒狀態纔有可能再次被 CPU 調度。
5.結束狀態：線程裏面的方法正常執行結束或者因爲某種異常退出了，則該線程結束生命週期

針對操作系統的線程模型，Java 進行部分封裝和擴充，JVM 中的線程狀態總共有六種，它們之間的關係，可以用如下圖來表示：

各個狀態說明如下：

1.新建狀態（NEW）：新創建了一個線程對象
2.運行狀態（RUNNABLE）：Java 線程中將就緒狀態和運行中兩種狀態，籠統的稱爲“運行”。線程對象創建後，調用了該對象的start()方法，該線程處於就緒狀態，獲得 CPU 時間片後變爲運行中狀態
3.阻塞狀態（BLOCKED）：因爲某種原因，線程放棄對 CPU 的使用權，停止執行，直到進入就緒狀態纔有可能再次被 CPU 調度。比如線程在獲得synchronized同步鎖失敗後，會把線程放入鎖池中，線程進入同步阻塞狀態。
4.等待狀態（WAITING）：處於這種狀態的線程不會被分配 CPU 執行時間，它們要等待被顯式地喚醒，否則會處於無限期等待的狀態。比如運行狀態的線程執行wait方法，會把線程放在等待隊列中，直到被喚醒或者因異常自動退出
5.超時等待狀態（TIMED_WAITING）：處於這種狀態的線程不會被分配 CPU 執行時間，不過無須無限期等待被其他線程顯式地喚醒，在到達一定時間後它們會自動喚醒。比如運行狀態的線程執行Thread.sleep(1000)方法，當到達目標時間後，會自動喚醒或者因異常自動退出
6.終止狀態（TERMINATED）：表示該線程已經執行完畢，處於終止狀態的線程不具備繼續運行的能力

五、小結

本文主要圍繞進程和線程的一些基礎知識，進行簡單的入門知識總結。

線程的特徵和進程差不多，進程有的它基本都有。

相對於進程而言，線程更加的輕量化，主要承擔任務的執行工作，優點如下：

一個進程中可以同時擁有多個線程，這些線程共享該進程的資源。我們知道進程間的通信必須請求操作系統服務（因爲 CPU 要切換到內核態），開銷很大。而同進程下的線程間通信，無需操作系統干預，開銷更小
線程間可以併發執行任務，線程間的併發比進程的開銷更小，系統併發性更好
在多 CPU 環境下，各個線程也可以分派到不同的 CPU 上並行執行
通過多線程編程，可以顯著的提升程序任務的執行效率

不過線程也有缺點：

當程序編程不合理，多個線程發生較長時間的等待或資源競爭時，可能會出現死鎖
等候使用共享資源時可能會造成程序的運行速度變慢。這些共享資源主要是獨佔性的資源，如打印機、IO 設備等

總的來說，進程和線程各有各優勢，站在操作系統的設計角度而言，可以歸結爲以下幾點：

採用多進程方式，可以保證多個任務同時運行；
採用多線程方式，可以將單個任務分成不同的部分進行執行；
提供協調機制，防止進程之間和線程之間產生衝突，同時允許進程之間和線程之間共享資源，以充分的利用系統資源

整篇內容難免有描述不對的地方，歡迎網友留言指出！

六、參考

1、飛天小牛肉 - 五分鐘掃盲：進程與線程基礎必知

2、潘建南 - Java線程的6種狀態及切換

多線程系列(一) -線程技術入門知識講解

一、簡介

二、進程和線程

2.1、什麼是進程？

2.2、什麼是線程？

2.3、進程和線程的關係

2.4、爲什麼要引入線程？

三、創建線程的方式

3.1、繼承 Thread 類，重寫 run 方法介紹

3.2、實現 Runnable 接口，然後通過 Thread 類來啓動介紹

四、線程狀態

五、小結

六、參考

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