Java-宋红康-(课P132)-多线程的概念

2023-12-05 22:44

本文主要是介绍Java-宋红康-(课P132)-多线程的概念,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

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目录

1.1 概述

1.2 程序、进程与线程

1.3 进程与线程的关系

1.4 线程调度

1.5 多线程程序的优点

1.6 补充概念-单核CPU和多核CPU


1.1 概述

我们在之前,学习的程序在没有跳转语句的前提下,都是由上至下依次执行,那现在想要设计一个程序,边打游戏边听歌,怎么设计?

要解决上述问题,咱们得使用多进程或者多线程来解决。

1.2 程序、进程与线程

1. 程序(program)

为完成特定任务,用某种语言编写的一组指令的集合。即指一段静态的代码,静态对象。

2. 进程(process)

程序的一次执行过程,或是正在内存中运行的应用程序。如:运行中的QQ,运行中的网易音乐播放器。

  • 每个进程都有一个独立的内存空间,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。(生命周期)

  • 程序是静态的,进程是动态的

  • 进程作为操作系统调度和分配资源的最小单位(亦是系统运行程序的基本单位),系统在运行时会为每个进程分配不同的内存区域。

  • 现代的操作系统,大都是支持多线程的,支持同时运行多个程序。比如:现在我们上课一边使用编辑器,一边使用录屏软件,同时还开着画图板,dos窗口等软件。

注意:

不同的进程之间是不共享内存的

进程之间的数据交换和通信的成本很高。

3. 线程

进程可进一步细化为线程,是程序内部的一条执行路径。一个进程中至少有一个线程。

  • 一个进程同一时间若并行执行多个线程,就是支持多线程的。

  • 线程作为CPU调度和执行的最小单位

一个正在运行的软件(如迅雷)就是一个进程,一个进程可以同时运行多个任务(迅雷软件可以同时下载多个文件,每个下载任务就是一个线程),可以简单的认为进程就是线程的集合。

线程是一条可以执行的路径:

  • 对于单核CPU而言:多线程就是一个CPU在来回的切换,在交替执行。

  • 对于多核CPU而言:多线程就是同时有多条执行路径在同时(并行)执行,每个核执行一个线程,多个核就有可能一块同时执行。

1.3 进程与线程的关系

一个程序就是一个进程,而一个程序中的多个任务则被称为线程。进程是表示资源分配的基本单位,又是调度执行的基本单位,即执行处理及调度的基本单位。

进程和线程的关系:

  • 一个线程只能属于一个进程,而一个进程可以有多个线程,但至少有一个线程。线程是操作系统可识别的最小执行和调度单位。

  • 资源分配给进程,同一进程的所有线程共享该进程的所有资源。同一进程中的多个线程共享代码段(代码和常量),数据段(全局变量和静态变量),扩展段(堆存储)。但是每个线程拥有自己的栈段,栈段又叫运行时段,用来存放所有局部变量和临时变量,即每个线程都有自己的堆栈和局部变量。

  • 处理机分给线程,即真正在处理机上运行的是线程。

  • 线程在执行过程,需要协作同步。不同进程的线程间要利用消息通信的办法实现同步

如果把上课的过程比作进程,把老师比作CPU,那么可以把每个学生比作每个线程,所有学生共享这个教室(也就是所有线程共享进程的资源),上课时学生A向老师提出问题,老师对A进行解答,此时可能会有学生B对老师的解答不懂会提出B的疑问(注意:此时可能老师还没有对A同学的问题解答完毕),此时老师又向学生B解惑,解释完之后又继续回答学生A的问题,同一时刻老师只能向一个学生回答问题(即:当多个线程在运行时,同一个CPU在某一个时刻只能服务于一个线程,可能一个线程分配一点时间,时间到了就轮到了其他线程执行了,这样多个线程在来回的切换)

1.4 线程调度

  • 分时调度

所有线程轮流使用 CPU 的使用权,并且平均分配每个线程占用 CPU 的时间。

  • 抢占式调度

让优先级高的线程以较大的概率优先使用 CPU。如果线程的优先级相同,那么会随机选择一个(线程随机性),Java使用的为抢占式调度。

1.5 多线程程序的优点

背景:以单核CPU为例,只使用单个线程先后完成多个任务(调用多个方法),肯定比用多个线程来完成用的时间更短,为何仍需多线程呢?

多线程程序的优点:

  1. 提高应用程序的响应。对图形化界面更有意义,可增强用户体验。

  2. 提高计算机系统CPU的利用率

  3. 改善程序结构。将既长又复杂的进程分为多个线程,独立运行,利于理解和修改

1.6 补充概念-单核CPU和多核CPU

单核CPU,在一个时间单元内,只能执行一个线程的任务。例如,可以把CPU看成是医院的医生诊室,在一定时间内只能给一个病人诊断治疗。所以单核CPU就是,代码经过前面一系列的前导操作(类似于医院挂号,比如有10个窗口挂号),然后到cpu处执行时发现,就只有一个CPU(对应一个医生),大家排队执行。

这时候想要提升系统性能,只有两个办法,要么提升CPU性能(让医生看病快点),要么多加几个CPU(多整几个医生),即为多核的CPU。

问题:多核的效率是单核的倍数吗?譬如4核A53的cpu,性能是单核A53的4倍吗?理论上是,但是实际不可能,至少有两方面的损耗。

  • 一个是多个核心的其他共用资源限制。譬如,4核CPU对应的内存、cache、寄存器并没有同步扩充4倍。这就好像医院一样,1个医生换4个医生,但是做B超检查的还是一台机器,性能瓶颈就从医生转到B超检查了。

  • 另一个是多核CPU之间的协调管理损耗。譬如多个核心同时运行两个相关的任务,需要考虑任务同步,这也需要消耗额外性能。好比公司工作,一个人的时候至少不用开会浪费时间,自己跟自己商量就行了。两个人就要开会同步工作,协调分配,所以工作效率绝对不可能达到2倍。

**注意:**下面内容为了解知识点

  1. 因为一个进程中的多个线程是并发运行的,那么从微观角度看也是有先后顺序的,哪个线程执行完全取决于 CPU 的调度,程序员是干涉不了的。而这也就造成的多线程的随机性。

  2. Java 程序的进程里面至少包含两个线程,主进程也就是 main()方法线程,另外一个是垃圾回收机制线程。每当使用 java 命令执行一个类时,实际上都会启动一个 JVM,每一个 JVM 实际上就是在操作系统中启动了一个线程,java 本身具备了垃圾的收集机制,所以在 Java 运行时至少会启动两个线程。

  3. 由于创建一个线程的开销比创建一个进程的开销小的多,那么我们在开发多任务运行的时候,通常考虑创建多线程,而不是创建多进程。

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