【JAVA并发第一篇】Java的进程与线程

1、进程与线程

1.1、进程

进程可以看作是程序的执行过程。一个程序的运行需要CPU时间、内存空间、文件以及I/O等资源。操作系统就是以进程为单位来分配这些资源的，所以说进程是分配资源的基本单位。

（1）、进程是动态的，程序是静态的

程序是静态的，它本身作为一种软件资源可以长期保存在磁盘（常说的硬盘）中。比如QQ，QQ作为一个程序，其本身保存在计算机的磁盘上。此时，它并没有得到CPU、内存、I/O等资源。因此当前的QQ程序只是一个静态的程序并不能给我们实现视频、语音等功能。

但当QQ程序开始执行时，操作系统就会将QQ程序从磁盘中装入内存，同时也会在操作系统中创建属于QQ的进程，这些新创建的QQ进程会得到操作系统分配的CPU、内存、I/O等资源，得到这些资源后，创建出来的QQ进程就可以实现视频和语音的功能。而当我们点击退出QQ后，这些进程就会立刻消亡，分配得到的资源也会被释放。

由此可以看出，QQ进程是QQ程序的执行过程，它是动态的，有一定的生命周期，会动态的产生和消亡。进程是资源分配的单位。

（2）、程序与进程并不是一 一对应的关系

虽然进程可以看作是程序的执行过程，但并非一个程序对应一个进程，即二者并不是一 一对应的关系。程序与进程的关系可能有以下几种：

①一个程序产生一个进程：比如Win10的记事本程序(notepad.exe)，每打开一个txt文本文件，就只会启动一个记事本进程。

②一个程序产生多个进程：比如浏览器启动时，一般都会产生多个进程，这些进程相互配合，互相影响，共同实现浏览器的功能。

③一个程序可以被多个进程共用：比如一个记事本程序在执行时，就只会产生一个进程。但当我们再用记事本程序打开一个文件时，此时就会再次在操作系统中创建一个新的进程，这个新的进程同样也会调用记事本程序。即在此刻，计算机磁盘中只有一个记事本程序，但是操作系统中却有两个记事本进程在共用这个程序，且这两个进程互不影响。

④一个进程又可能要用到多个程序：比如，用C语言写了一个helloword.c的程序。此时，输入命令gcc helloword.c。那么操作系统会创建一个进程，它调用c编译程序，对helloword.c文件进行编译。这个进程在执行编译的过程中，除了调用c编译程序和我们编写的helloword程序外，还会用到c预处理程序、连接程序、结果输出程序等。

1.2、线程

线程从属于进程，只能在进程的内部活动，多个线程共享进程所拥有的的资源。如果把进程看作是完成许多功能的任务的集合，那么线程就是集合中的一个任务元素，负责具体的功能。虽然CPU、内存、I/O等资源分配给了进程，但实际上真正利用这些资源并在CPU上执行的却是线程，即真正完成程序功能的是线程。

因为进程作为这些资源的拥有者，它的负载很重，在进程的创建、切换、删除过程中的时间和空间开销都很大。所以目前主流的操作系统都只将进程作为资源的拥有者，而把CPU调度和运行的属性赋予了线程。

比如打开浏览器程序，会产生相应的进程，浏览器进程中包含有许多线程，如HTTP请求线程，I/O线程，渲染线程，事件响应线程等。浏览器进程拥有着内存和I/O资源等，但当我们在浏览器中输入文字时，真正使用I/O资源接收我们输入的文字，并在CPU处理文字的却是浏览器进程中的I/O线程。即真正完成浏览器文字输入功能的是线程。

现代很多操作系统支持让一个进程包含多个线程，从而提高程序的并行程度和资源的利用率。

1.3、线程与进程的关系

①一个进程可以有多个线程，但至少要有一个线程，并且一个线程只能在一个进程的地址空间内活动。

②资源分配给进程，而一个进程内的所有线程共享该进程的所有资源。

③CPU分配给的是线程，即真正在CPU上运行的是线程。

④进程间通信较为复杂，同一台计算机的进程通信称为 IPC（Inter-process communication）。

而不同计算机之间的进程通信，则需要通过网络，并遵守共同的协议，例如 HTTP等。

⑤线程通信相对简单，因为它们共享进程内的内存，一个例子是多个线程可以访问同一个共享变量。

⑥线程更轻量，线程上下文切换成本一般上要比进程上下文切换低。

2、Java中的进程与线程

2.1、JVM进程

我们知道Java语言是需要运行在JVM上的。实际上，JVM也是一个软件程序，这就意味着它执行起来也会在操作系统中创建进程，即JVM进程，通常又叫JVM实例。而我们所写的main方法，实际上就是JVM进程中主线程的所在。

从操作系统的角度来看，我们常说的Java程序，应该包括JVM和我们编写的Java代码。

当我们写完Java代码，并编译成class文件后，使用Java命令执行main方法；或者直接在IDE启动main方法时，JVM程序就会执行，操作系统会将其从磁盘中装入内存，并创建一个JVM进程，随后启动主线程，主线程会去调用某个类的 main 方法，因此这个主线程就是我们写的main方法所在。

实际上，JVM本身就是一个多线程应用，即使我们在代码中并没有手动的创建线程，JVM进程也并不是只有一个主线程，而是也会有其他线程。这些线程完成着JVM的功能，如GC线程负责回收JVM使用过程中的垃圾对象。JVM进程启动完成后，必然会有的线程如下：

线程	作用
main	主线程，执行我们指定的启动类的main方法
Reference Handler	处理引用的线程
Finalizer	调用对象的finalize方法的线程
Signal Dispatcher	分发处理发送给JVM信号的线程
Attach Listener	负责接收外部的命令的线程

至此，我们知道了，启动一个Java程序，本质上就是启动JVM程序，并在操作系统中创建一个JVM进程。这个JVM进程会由操作系统分配许多资源，如内存、I/O等。JVM进程中包含有许多线程，这些线程共享JVM进程分配到的资源，同时这些线程也是CPU核心上执行的实体，它们完成着JVM所具有的功能。

那么如果我们启动两个Java程序，会生成多少个JVM进程呢？

我们编写两个Java程序，其有代码如下：

processTest01程序

public class processTest01 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("我是测试01");
        byte[] a = new byte[1024*1024*50]; //在堆中占50MB
        processTest02 test02 = new processTest02();
        Thread.sleep(1000*60*30);   //休眠三十分钟
    }
}

processTest02程序

public class processTest02 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("我是测试02");
        byte[] a = new byte[1024*1024*900]; //在堆中占900MB
        Thread.sleep(1000*60*30);   //休眠三十分钟
    }
}

我们将编译这两个程序，并分别用Java命令启动它们。看看两个Java程序会在操作系统中创建了多少个进程。



打开JDK自带的jvisualvm.exe，这是JDK提供的查看Java进程和线程相关信息的工具程序，在自己电脑上的JDK目录下（Win10）：Java\jdk1.8.0_131\bin。如图所示：



可以继续使用jvisualvm，查看进程中线程的相关情况：

pid（进程号）为2146的进程：



pid（进程号）为4196的进程：



可以看出，启动多少个Java程序，就会创建多少个JVM进程，也称之为JVM实例。而每一个JVM实例都是独立的，它们互不影响。这也是前面所说的一个程序可以被多个进程共用的情况。

一个JVM进程就是一个JVM的实例。JVM的实例在执行Java程序的过程中会把它管理的内存划分为不同区域，称之为运行时数据区，如下所示：

2.2、Java的线程

我们知道，线程从属于进程，是CPU调度执行的单位，各个线程共享进程内的资源。目前主流的操作系统都支持了线程。在实现了线程的操作系统中，一个进程中必然有至少一个操作系统的线程，这种属于操作系统的线程被称为内核线程（kernel-Level Thread，KLT）。

而各个应用程序实现多线程的方式主要有三种：

①内核线程1：1实现

内核线程即操作系统本身的线程，1：1意味着程序中的线程与操作系统中的内核线程是直接对应的。这种线程的创建是由操作系统来完成的，同时也是由操作系统来负责调度的。这种内核线程的切换需要硬件支持，切换所需的时间也较长，但其优点是一个线程阻塞了，其他线程也可以执行，则进程就能继续工作。但一般来说，程序中的线程不会直接使用内核线程，而是使用它提供的高级接口，称之为轻量级进程（Light Weight Process，LWP）。虽然名称变了，但其本质上还是操作系统的内核线程。每个轻量级进程，都由一个内核线程支持，所以他们都可以独立调度，由操作系统的调度器（Scheduler）负责调度。总的来说就是，程序中的线程是操作系统的内核线程。

可以看出，使用内核线程1：1实现的程序可以同时在多个CPU核心上跑。也就是说，程序执行产生的一个进程中的多个线程在同一时刻可能会在不同的CPU核心上运行。这对于一个程序来说，大大加快了运行效率。

②用户线程1：N实现

用户线程指的是由用户程序自主实现，不需要操作系统来实现的线程，一个线程不是内核线程，就可以认为是用户线程。用户线程虽然不需要操作系统来实现，但在实现了线程的操作系统中，一个进程中必然要有一个内核线程来支持运行。1:N中的1就是一个内核线程的意思。而N指的是用户程序自主实现的多用户线程，操作系统无法得知这些用户线程的存在，因为这些用户线程都是在用户程序内部建立、切换和销毁的。由于用户线程不需要操作系统的帮助，所以对于用户线程的操作可以非常快，消耗低，且不需要硬件的支持。同时，用户线程的的数量不受操作系统的限制。在没有实现多线程的操作系统中也可以实现多线程程序。但由于用户线程需要映射为内核线程才能执行，所以如果一个线程阻塞，那么所有的线程都将阻塞，进程也无法继续工作。线程的调度也是由用户程序自主实现。总的来说，用户线程就是用户的程序自主实现的线程，多个用户线程对应着一个操作系统的内核线程。



可以看出，用户线程1：N实现的程序，一个进程中的多用户线程在同一时刻只能在一个CPU核心上运行，因为只有一个内核线程支持着这个进程。从操作系统角度来看，这就是一个单线程的进程。当然，如果一个实现了用户线程的程序执行产生了多个进程，那么实际上这个程序也可能在多个CPU核心上跑。目前很少有程序实现这种用户线程了。

③混合N：M实现

混合实现即用户线程和内核线程一起使用的实现方式。在这种混合实现下，即存在用户线程，又存在轻量级进程（内核线程）。用户线程还是由用户程序自主实现，这样用户线程的创建、切换、销毁依然快速且消耗低。而一个用户线程的集合（包含一个或多个用户线程）又与一个内核线程映射。多个用户线程的集合，就是N:M实现中的N，而M自然指的是多个内核线程。这样的情况下，也可以继续使用操作系统的调度功能，而且由于一个内核线程支持着一个用户线程的集合，所以一个用户线程阻塞，并不会阻塞其他用户线程，进程也能继续工佐。总的来说，混合实现就是一个用户线程的集合对应着一个内核线程，一个进程中会存在多个用户线程集合，则会有多个内核线程来支持运行。

可以看出，由于用户线程集合映射到了一个内核线程上，而一个进程又有多个用户线程集合。所以使用混合实现多线程的程序，进程中也可能存在多个用户线程在不同CPU核心上执行的情况。

Java线程的实现

介绍完程序实现多线程的三种方式，那么Java是如何实现多线程的呢？

首先，Java虚拟机规范并未规定要如何实现多线程，所以Java的线程都是由虚拟机来具体实现，不同的虚拟机实现线程的方式可能都不相同。不过，在JDK1.2之前，早期的虚拟机都采用的是用户线程1：N的实现方式。而在JDK1.3之后，大部分的虚拟机都采用了内核线程1:1实现的方式，包括我们最常用的HostSpot虚拟机。

这就意味着，我们在平常的开发中，不论是JVM程序自己创建的线程，还是我们手动编码创建的线程，实际上都是直接1:1映射到了操作系统的内核线程。 这一内核线程由操作系统来创建，且虚拟机不会去干涉线程调度。Java的线程何时交给CPU核心去执行，交给哪个CPU核心，线程有多少CPU核心的执行时间，线程何时冻结、唤醒等等，都交给操作系统去完成，也都是操作系统全权决定（不过Java虚拟机也可以设置线程优先级来给操作系统的线程调度提供建议）。

3、多线程与并行、并发

两个或两个以上的线程在同一时刻发生就称为并行，如两个线程在同一时刻在两个不同的CPU核心上执行，则可以说这两个线程是并行执行。

两个或两个以上的线程在同一时间段内发生则称为并发，比如两个线程在一个极短的时间段上分别在同一个CPU核心上执行，则可以说这两个线程是并发执行。

并行与并发的关键就在于是否为同一时刻执行，并行是在同一时刻执行，而并发则是在极短的时间内执行。

在一个CPU核心中，线程实际是并发执行的，操作系统中有一个组件叫做任务调度器，将cpu核心的时间片（windows下时间片最小约为 15 毫秒）分给不同的程序使用，只是由于cpu核心在线程间（时间片很短）的切换非常快，给人的感觉是同时运行的，但实际上一个CPU核心同一时刻只能支持一个线程运行。即如果是在单个CPU核心的操作系统中，Java程序（包含JVM）本身虽然是多线程的，但实际上，同一时刻只能有一个Java线程在执行。

但目前的计算机已经很少有单个核心的CPU了，目前即使是个人使用的计算机都是多个核心的CPU了，每个核心都可以独立调度运行线程，这就意味着线程之间可以并行执行。

可以看出，在多核心的CPU下，线程之间是可以并行执行的。但即使是拥有多个CPU核心的计算机，CPU核心的数量始终是有限的，而一个操作系统中的线程数远远多于CPU核心数，所以线程之间大部分情况下是属于并发状态的。即线程之间是在极短时间下交替在CPU核心上执行的。

需要注意的是，在单个CPU核心下，多线程其实是没有太大意义的，因为始终只能有一个线程在CPU核心上执行，而线程间的切换是需要耗费时间和资源的。但多核CPU可以同时执行线程，如果在多核CPU中还是使用单线程，无疑是对CPU的巨大浪费。并发的最主要的目的就是最大限度利用CPU资源。

但并发并不是线程特有的，进程之间也可以并发。有些语言实现并发就是使用进程来进行并发，如PHP。不过Java的并发依然是依赖于多线程，即多线程是Java实现并发的一种方式。