多线程编程和线程生命周期介绍

2020-11-12 0 By admin

程序开发过程中进程作为最小资源申请对象,其在执行过程中可以细化为多个线程对象;线程为最小的调度和执行单元,其存在5中可能状态,分别为:创建、就绪、运行、阻塞和终止。

一、程序、进程和线程介绍

1.1、程序(program)

程序指的是通过开发语言编写的一组指令的集合;一套或者多套静态的代码;用于完成特定的任务。

1.2、进程(process)

程序的一次执行过程,或正在运行的一个程序是通过创建进程来运行的。这是一个动态的过程;进程自身的产生、存在和消亡的各各阶段构成了进程的声明周期
进程作为资源分配的单位,系统在运行时会为每个进程分配不同的内存区域
如:运行中的QQ,运行中的MP3播放器程序是静态的,进程是动态的。

1.3、线程(thread)

线程本身不能单独运行,它必须在一个程序中运行。
线程是程序的内部控制流,一个进程在执行过程中,为了同时完成多个操作,可以创建多个线程,形成多条执行线索。每个线程有自己的堆栈、自己的程序设计器和自己的局部变量。
线程是调度和执行的单位,每个线程拥有独立的运行栈和程序计数器(pc),线程切换的开销小

1.4、进程和线程的关联

若一个进程同一时间并行执行多个线程,就是支持多线程的。

  1. 每个进程都有一段专用的内存区域。而同一个进程的各线程间可以共享相同的内存空间(代码空间和数据空间),并且利这些共享内存来实现数据交换、实施通信以及必要的同步工作。
  2. 一个进程中的多个线程共享相同的内存单元/内存地址空间(它们从同一堆中分配对象)可以访问相同的变量和对象。这就使得线程间通信更简便、高效。
  3. 多个线程操作共享的系统资源可能就会带来安全的隐患;需要考虑共享资源的同步控制(通过锁)和线程间的通信等。

二、何时推荐使用多线程?

2.1、以单核CPU为例

CPU执行多线程任务时,存在上下文切换的过程,会降低CPU执行效率。
CPU执行任务时,如果任务中存在I/O操作,则CPU需要挂起任务,等待I/O完成后,再继续执行。

2.2、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,避免I/O过程中的等待。
  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。

2.3、何时需要多线程

  1. 程序需要同时执行两个或多个任务。
  2. 程序需要实现一些需要等待的任务(I/O过程)时,如用户输入、文件读写操作、网络操作、搜索等。
  3. 需要一些后台运行的程序时。
  4. 对于低CPU运算,多I/O操作的程序,推荐使用多线程。

三、线程的生命周期|线程的状态

一个线程从创建、运行到终止称为一个生命周期。线程在其生命周期中要经历创建、就绪、运行、阻塞和终止5中状态。通过getState()获取运行状态。
JDK中用 Thread.State 类定义了线程的几种状态。

3.1、创建 New

当一个 Thread 类或其子类使用 new 关键词声明一个对象实例时,此时线程处于创建的状态。处于创建状态的线程有自己的内存空间,但是线程还没有运行。

3.2、就绪 Runnable

处于创建状态的线程通过调用start()方法启动后,线程进入就绪状态。这时的线程就已经拥有了运行所需的所有条件,将进入线程队列等待CPU调度。由于还没有获取到CPU的时间片,所以不会立即执行。

3.3、运行 Running

当处于就绪状态的线程被调度,并获得CPU资源时,便进入运行状态。

  1. 运行状态的线程执行 Run()方法中的操作。
  2. 运行状态线程不是一直占用CPU的,而是根据CPU的调度策略有关。CPU时间片用完后,就会转为就绪状态。
  3. 操作系统的调度策略,会考虑线程的优先级。高优先级的线程获得CPU调度几率要大。
  4. 多于处理器内核数目的线程数,并不能提高执行效率。

3.4、阻塞 Blocked

在某些情况下,一个正在运行的线程会让出正在使用的CPU资源,进入阻塞状态。

  1. 某些共享资源(打印机或文件资源)被占用。
  2. 等待I/O操作。
  3. 调用了wait、sleep或者 suspend 等方法。
  4. 尝试获得锁,而该锁正在被其他线程使用。

为了提高CPU的利用率,当一个线程被阻塞时,另一个线程就获得了运行的机会。

3.5、终止 Terminated

线程到达终止状态可能有几种原因:

  1. 线程的方法 run() 执行结束。
  2. 线程通过某些方法(如 Destory()) 被提前终止。
  3. 在 run() 方法执行中发生了未捕获的异常。
线程的生命周期
线程的生命周期

4、单核CPU和多核CPU的理解

4.1、单核 CPU

其实是一种假的多线程,因为在一个时间单元内,也只能执行一个线程的任务。
例如:虽然有多车道,但是收费站只有一个工作人员在收费,只有收了费才能通过,那么CPU就好比收费人员。
如果有某个人不想交钱,那么收费人员可以把他“挂起”(晾着他,等他想通了,准备好了钱,再去收费)。但是因为CPU时间单元特别短,因此感觉不出来。

4.2、多核 CPU

多核CPU才能更好的发挥多线程的效率。(现在的服务器都是多核的)
一个Java应用程序java.exe,其实至少有三个线程:main()主线程,gc()垃圾回收线程,异常处理线程。当然如果发生异常,会影响主线程。

4.3、并行与并发

  1. 并行:多个CPU同时执行多个任务。比如:多个人同时做不同的事。
  2. 并发:一个CPU(采用时间片)同时执行多个任务。比如:秒杀、多个人做同一件事。