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Java--多线程之并发，并行，进程，线程（一）_java多线程并行操作

作者：IT小白 | 2024-07-06 19:49:21

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java多线程并行操作

Java--多线程之并发，并行，进程，线程（一）_MinggeQingchun的博客-CSDN博客

Java--多线程之终止/中断线程（二）_MinggeQingchun的博客-CSDN博客_java中断线程

Java--多线程之join，yield，sleep；线程优先级；定时器；守护线程（三）_MinggeQingchun的博客-CSDN博客

 Java--多线程之synchronized和lock；死锁（四）_MinggeQingchun的博客-CSDN博客

Java--多线程之生产者消费者模式；线程池ExecutorService（五）_MinggeQingchun的博客-CSDN博客

以下对并发、并行、进程、线程的理解引自阿里巴巴技术专家 Hollis

Java并发编程

我们在使用多线程/进程编程时，经常会遇到并发和并行这两个名词，它们看起来是一个概念，都是“多个线程/进程同时执行”的意思，但实际上它们是有区别的，甚至说不是一码事

并行是指两个或者多个事件在同一时刻发生，而并发是指两个或多个事件在同一时间间隔发生。

并行是在不同实体上的多个事件，并发是在同一实体上的多个事件

并发是指一个CPU处理器同时处理多个任务
并行是指多个CPU处理器或者是多核的处理器同时处理多个不同的任务
并发是逻辑上的同时发生（simultaneous），并行是物理上的同时发生

一、并发

并发（Concurrent）

在同一时刻只能有一条指令执行，但多个进程指令被快速的轮换执行，使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果，但在微观上并不是同时执行的，只是把时间分成若干段，使多个进程快速交替的执行

在操作系统中，是指一个时间段中有几个程序都处于已启动运行到运行完毕之间，且这几个程序都是在同一个处理机上运行

并发，就是通过一种算法将 CPU 资源合理地分配给多个任务，当一个任务执行 I/O 操作时，CPU 可以转而执行其它的任务，等到 I/O 操作完成以后，或者新的任务遇到 I/O 操作时，CPU 再回到原来的任务继续执行

早期计算机的 CPU 都是单核的，一个 CPU 在同一时间只能执行一个进程/线程，当系统中有多个进程/线程等待执行时，CPU 只能执行完一个再执行下一个

无论是Windows、Linux还是MacOS等其实都是多用户多任务分时操作系统。使用这些操作系统的用户是可以“同时”干多件事的

两个任务并发执行的过程

二、并行

并行（Parallel）

在同一时刻，有多条指令在多个处理器上同时执行

当系统有一个以上CPU时，当一个CPU执行一个进程时，另一个CPU可以执行另一个进程，两个进程互不抢占CPU资源，可以同时进行，这种方式称之为并行(Parallel)

并发是针对单核 CPU 提出的，而并行则是针对多核 CPU 提出的。和单核 CPU 不同，多核 CPU 真正实现了“同时执行多个任务”

两个任务并行执行的过程

上图中双核 CPU 执行任务的数量恰好等于 CPU 核心的数量，是一种理想状态。但是在实际场景中，处于运行状态的任务是非常多的，尤其是电脑和手机，开机就几十个任务，而 CPU 往往只有 4 核、8 核或者 16 核，远低于任务的数量，这个时候就会同时存在并发和并行两种情况：所有核心都要并行工作，并且每个核心还要并发工作

如一个双核 CPU 要执行四个任务，它的工作状态如下图所示

每个核心并发执行两个任务，两个核心并行的话就能执行四个任务。当然也可以一个核心执行一个任务，另一个核心并发执行三个任务，这跟操作系统的分配方式，以及每个任务的工作状态有关系

1、并发针对单核 CPU 而言，它指的是 CPU 交替执行不同任务的能力；并行针对多核 CPU 而言，它指的是多个核心同时执行多个任务的能力。

2、单核 CPU 只能并发，无法并行；换句话说，并行只可能发生在多核 CPU 中

3、在多核 CPU 中，并发和并行一般都会同时存在，它们都是提高 CPU 处理任务能力的重要手段

三、进程

对于操作系统来说，一个任务，一个应用程序就是一个进程（Process）

如打开一个浏览器就是启动一个浏览器进程，打开一个记事本就是启动一个记事本进程

四、线程

在一个进程内部，要同时干多件事，就需要同时运行多个“子任务”，我们把进程内的这些“子任务”称为线程（Thread）

如在一个记事本上打字，画图等子任务，这些子任务之间共用同一个进程资源

进程当做资源分配的基本单元，线程当做执行的基本单元，同一个进程的多个线程之间共享资源

（一）单核CPU如何做到多线程并发

实际上，对于单个CPU的计算机来说，在CPU中，同一时间只能干一件事儿。为了看起来像是“同时干多件事”，分时操作系统是把CPU的时间划分成长短基本相同的时间区间，即”时间片”，通过操作系统的管理，把这些时间片依次轮流地分配给各个用户使用。

如果某个作业在时间片结束之前,整个任务还没有完成，那么该作业就被暂停下来,放弃CPU，等待下一轮循环再继续做.此时CPU又分配给另一个作业去使用。

由于计算机的处理速度很快，只要时间片的间隔取得适当,那么一个用户作业从用完分配给它的一个时间片到获得下一个CPU时间片，中间有所”停顿”，但用户察觉不出来,好像整个系统全由它”独占”似的。

所以，在单CPU的计算机中，我们看起来“同时干多件事”，其实是通过CPU时间片技术，并发完成的

Java中，默认就有两个线程：main主线程；GC垃圾回收线程

Java不能操作硬件CPU，因此也无法直接开启多线程，底层是调用本地方法C++的方法开启线程


 
    /**
     * Causes this thread to begin execution; the Java Virtual Machine
     * calls the <code>run</code> method of this thread.
     * <p>
     * The result is that two threads are running concurrently: the
     * current thread (which returns from the call to the
     * <code>start</code> method) and the other thread (which executes its
     * <code>run</code> method).
     * <p>
     * It is never legal to start a thread more than once.
     * In particular, a thread may not be restarted once it has completed
     * execution.
     *
     * @exception  IllegalThreadStateException  if the thread was already
     *               started.
     * @see        #run()
     * @see        #stop()
     */
    public synchronized void start() {
        /**
         * This method is not invoked for the main method thread or "system"
         * group threads created/set up by the VM. Any new functionality added
         * to this method in the future may have to also be added to the VM.
         *
         * A zero status value corresponds to state "NEW".
         */
        if (threadStatus != 0)
            throw new IllegalThreadStateException();
 
        /* Notify the group that this thread is about to be started
         * so that it can be added to the group's list of threads
         * and the group's unstarted count can be decremented. */
        group.add(this);
 
        boolean started = false;
        try {
            start0();
            started = true;
        } finally {
            try {
                if (!started) {
                    group.threadStartFailed(this);
                }
            } catch (Throwable ignore) {
                /* do nothing. If start0 threw a Throwable then
                  it will be passed up the call stack */
            }
        }
    }
 
    private native void start0();

（二）线程创建的三种方式

1、继承java.lang.Thread类，重写run方法


/**
 1、实现线程有3种方式：
    1、编写一个类，直接继承java.lang.Thread，重写run方法
    2、编写一个类实现java.lang.Runnable接口
    3、编写类实现Callable接口，通过FutureTask创建
 2、启动线程
 调用线程对象的start()方法
 start()方法的作用：启动一个分支线程，在JVM中开辟一个新的栈空间
 run()方法不会启动线程，不会分配新的分支线程栈
 */
public class ThreadNewByExtend {
    public static void main(String[] args) {
        // 这里是main方法，这属于主线程，在主栈中运行
 
        // 新建一个分支线程对象
        Mythread t = new Mythread();
        /**
         * run()方法不会启动线程，不会分配新的分支栈（只调用run()不调用start()还是单线程）
         * 会先执行 t 线程的 for循环，再执行 主线程main中的for循环
         * */
        //t.run();
 
        /**
         * start()方法的作用：启动一个分支线程，在JVM中开辟一个新的栈空间，这段代码任务完成之后，瞬间就结束了
         * start()方法只是为了开启一个新的栈空间，只要新的栈空间开出来，start()方法就结束了,线程就启动成功了
         * 启动成功的线程会自动调用run方法，并且run方法在分支栈的栈底部（压栈）
         * run方法在分支栈的栈底部，main方法在主栈的栈底部；分支线程run和 主线程main是平级的
         * */
        t.start();
 
        //主线程for循环
        for (int i = 1;i <= 100;i++){
            System.out.println("main----" + i);
        }
    }
}
 
class Mythread extends Thread {
    //Ctrl+O
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 1;i <= 100;i++){
            System.out.println("Mythread----" + i);
        }
    }
}

start()方法：

启动一个新线程，并会调用run()方法

通过start()方法来启动的新线程，处于就绪（可运行）状态，并没有运行，一旦得到cpu时间片，就开始执行相应线程的run()方法，这里方法run()称为线程体，它包含了要执行的这个线程的内容，run方法运行结束，此线程随即终止。

start()不能被重复调用

用start方法来启动线程，真正实现了多线程运行，即无需等待某个线程的run方法体代码执行完毕就直接继续执行下面的代码。这里无需等待run方法执行完毕，即可继续执行下面的代码，即进行了线程切换。

run() 方法:

不会启动新线程；run()就和普通的成员方法一样，可以被重复调用

直接调用run方法，并不会启动新线程！程序中依然只有主线程这一个线程，其程序执行路径还是只有一条，还是要顺序执行，还是要等待run方法体执行完毕后才可继续执行下面的代码，这样就没有达到多线程的目的

1、start() 可以启动一个线程，run()不能

2、start()不能被重复调用，run()可以

3、start中的run方法可以不执行完就继续执行下面的代码，即进行了线程切换。直接调用run方法必须等待其代码全部执行完才能继续执行下面的代码

4、start() 实现了多线程，run()没有执行多线程

start()方法新建一个线程并调用其run()方法；run()方法不能新建一个线程，只是thread的一个普通方法调用，是在当前线程中调用run()方法

2、编写类实现java.lang.Runnable接口


/**
 编写一个类实现java.lang.Runnable接口
 */
public class ThreadNewByRunnable {
    public static void main(String[] args) {
        MyRunnable runnable = new MyRunnable();
        Thread t = new Thread(runnable);
        t.start();
 
        //采用匿名内部类方式
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 1;i <= 100;i++){
                    System.out.println("分支线程t1----" + i);
                }
            }
        });
        t1.start();
 
        //主线程for循环
        for (int i = 1;i <= 100;i++){
            System.out.println("main----" + i);
        }
    }
}
 
class MyRunnable implements Runnable{
 
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 1;i <= 100;i++){
            System.out.println("分支线程t----" + i);
        }
    }
}

3、编写类实现Callable接口，通过FutureTask创建（JDK8新特性）


import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.FutureTask;
 
/**
实现线程的第三种方式：
    实现Callable接口
    优点：可以获取到线程的执行结果
    缺点：效率比较低，在获取t线程执行结果的时候，当前线程受阻塞，效率较低
 */
public class ThreadNewByCallable {
    public static void main(String[] args) {
 
        // 创建一个“未来任务类”对象，参数：Callable接口实现类对象
        FutureTask task = new FutureTask(new Callable() {
            @Override
            // call()方法就相当于run方法，这个方法有返回值
            public Object call() throws Exception {
                System.out.println("call begin");
                Thread.sleep(1000 * 5);
                System.out.println("call end");
 
                return 100+50;
            }
        });
 
        Thread t = new Thread(task);
        t.setName("t");
        t.start();
 
        try {
            // get()方法获取t线程的返回结果,但是会导致“当前线程阻塞”
            Object obj = task.get();
            System.out.println("线程执行结果:" + obj);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
 
        // main方法这里的程序要想执行必须等待get()方法的结束，而get()方法可能需要很久
        // get()方法是为了拿另一个线程的执行结果
        System.out.println("Hello World!");
    }
}

（三）线程常用方法


/**
1、获取当前线程对象
    Thread t = Thread.currentThread();
2、获取线程对象的名字
    String name = 线程对象.getName();
3、修改线程对象的名字
    线程对象.setName("线程名字");
4、当线程没有设置名字的时候，默认的名字
    Thread-0
    Thread-1
    .....
 */
public class ThreadMethod {
    public static void main(String[] args) {
        //获取当前线程对象，currentThread()
        Thread t = Thread.currentThread();
 
        //获取线程名字"main"，getName()
        System.out.println(t.getName());
 
        Thread t1 = new Thread();
        Thread t2 = new Thread();
        //线程默认名字：Thread-0；Thread-1
        System.out.println(t1.getName());//Thread-0
        System.out.println(t2.getName());//Thread-1
 
        //设置线程名字，setName()
        t1.setName("t1");
        System.out.println(t1.getName());//t1
    }
}

（四）线程调度，线程优先级

（1）线程调度模型

【1】抢占式调度模型：
哪个线程的优先级比较高，抢到的CPU时间片的概率就高一些/多一些
java采用的就是抢占式调度模型

【2】均分式调度模型：
平均分配CPU时间片。每个线程占有的CPU时间片时间长度一样

（2）线程调度方法

【1】实例方法：
           void setPriority(int newPriority) 设置线程的优先级
           int getPriority() 获取线程优先级
           最低优先级1
           默认优先级是5
           最高优先级10
           优先级比较高的获取CPU时间片可能会多一些。（但也不完全是，大概率是多的。）
【2】静态方法：
           static void yield() 让位方法
           暂停当前正在执行的线程对象，并执行其他线程
           yield()方法不是阻塞方法。让当前线程让位，让给其它线程使用
           yield()方法的执行会让当前线程从“运行状态”回到“就绪状态”
           注意：在回到就绪之后，有可能还会再次抢到。
【3】实例方法：
           void join()


/**
 * 线程优先级
 *
 * void setPriority(int newPriority)    设置线程的优先级
 * int getPriority()                    获取线程优先级
 *
 * 最低优先级1；默认优先级是5；最高优先级10
 *
 * */
public class ThreadPriority {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("线程最高优先级："+Thread.MAX_PRIORITY);//10
        System.out.println("线程最低优先级："+Thread.MIN_PRIORITY);//1
        System.out.println("线程默认优先级："+Thread.NORM_PRIORITY);//5
 
        //线程默认优先级
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程的默认优先级是：" + Thread.currentThread().getPriority());
 
        Thread t = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for(int i = 0; i < 10000; i++){
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-->" + i);
                }
            }
        });
        t.setName("t");
        t.setPriority(10);
        t.start();
 
        Thread.currentThread().setPriority(1);
 
        // 优先级较高的，只是抢到的CPU时间片相对多一些。
        // 大概率方向更偏向于优先级比较高的。
        for(int i = 0; i < 10000; i++){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-->" + i);
        }
    }
}

（五）线程状态图

线程是有状态的，并且这些状态之间也是可以互相流转的

Java中线程的状态分为6种：

1、初始(NEW)：新创建了一个线程对象，但还没有调用start()方法

2、运行(RUNNABLE)：Java线程中将就绪（READY）和运行中（RUNNING）两种状态笼统的称为“运行”。

（1）就绪（READY）:线程对象创建后，其他线程(比如main线程）调用了该对象的start()方法。该状态的线程位于可运行线程池中，等待被线程调度选中并分配cpu使用权。

（2）运行中（RUNNING）：就绪(READY)的线程获得了cpu 时间片，开始执行程序代码

3、阻塞(BLOCKED)：表示线程阻塞于锁

4、等待(WAITING)：进入该状态的线程需要等待其他线程做出一些特定动作（通知或中断）

5、超时等待(TIMED_WAITING)：该状态不同于WAITING，它可以在指定的时间后自行返回

6、终止(TERMINATED)：表示该线程已经执行完毕。


public class ThreadState {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
 
        //线程状态
        Thread.State state = thread.getState();
        System.out.println(state);
 
        //启动线程
        thread.start();
        state = thread.getState();
        System.out.println(state);
 
        while (state != Thread.State.TERMINATED){
            try {
                Thread.sleep(100);
                state = thread.getState();
                System.out.println(state);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

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