【Java多线程】1 多线程的基本概念-优快云博客

进程与线程

一、定义和区别

1.1 定义

进程：
- 定义：一个进程是一个正在运行的程序实例，包含了代码、数据和资源（如内存、文件句柄等）。进程是操作系统分配资源的基本单位，每个进程之间是独立的。
- 本质：可以把进程想象成一个正在进行的“大任务”，这个任务有自己独立的资源，就像一个独立的“工作车间”（如图 1-1）。例如，打开一个浏览器就是启动了一个进程，这个浏览器进程有自己独立的内存空间、文件描述符等资源，就如同一个有独立场地、设备和材料的车间在进行特定的生产任务。
线程：
- 定义：线程是操作系统进行调度的基本单位。线程是进程中的一个执行单元，可以理解为“轻量级的进程”。一个进程可以包含多个线程，它们共享进程的资源（如内存），但每个线程拥有独立的执行路径和栈空间。
- 本质：线程是在进程这个“大任务”内部的“小任务执行者”，多个线程可以共享进程的资源，如同在一个大车间里有多个工人在协同工作，他们共同使用车间里的场地、设备和材料来完成不同的具体工作任务。比如在浏览器进程中，一个线程可以负责显示网页内容，另一个线程可以负责处理用户的鼠标点击操作等。

图 1-1 图 1-1

1.2 资源占用

线程：线程共享所属进程的资源，所以创建一个线程比创建一个进程需要的资源少得多。好比在一个已经存在的工厂（进程）里增加一个工人（线程），这个工人可以直接使用工厂里现有的场地和设备，无需重新分配大量资源，成本相对较低。

1.3 切换开销

进程：进程切换的开销较大。当操作系统从一个进程切换到另一个进程时，需要保存当前进程的状态（如寄存器的值、内存中的数据等），然后加载新进程的状态。这就像在两个不同的工厂之间切换生产任务，需要先停工一个工厂，把所有的设备、材料等状态记录下来，然后再去启动另一个工厂，把它的设备、材料等状态恢复并开始生产，这个过程比较耗时和耗费资源。
线程：线程切换的开销相对较小。因为多个线程共享进程的资源，所以切换时只需要保存和恢复线程的执行上下文（如程序计数器等），而不需要像进程切换那样保存和恢复大量的资源状态。这就如同在一个工厂里的不同工人之间切换工作任务，只需要告诉工人下一步做什么，而不需要重新准备整个工厂的设备和材料等，切换速度更快。

1.4 通信和同步

进程：不同进程之间通信相对复杂，通常需要使用特定的进程间通信机制，如管道、消息队列、共享内存等。这就像两个不同的工厂之间要进行交流和协作，需要通过一些专门的渠道（如邮件、电话等）来传递信息和材料，操作相对繁琐。例如，一个文本编辑软件和一个图片处理软件要交换数据，就需要通过操作系统提供的进程间通信机制来实现。
线程：同一进程内的线程之间通信非常方便，可以直接访问共享的内存和变量。这就如同在一个工厂里的不同工人之间交流，他们可以直接面对面说话或者共同使用工厂里的公告板来传递信息，非常便捷。比如在一个多线程的程序中，一个线程可以直接修改另一个线程也能访问的全局变量来传递信息。

二、为什么要使用多线程

2.1 提高程序性能

充分利用多核处理器：现代计算机通常配备多核处理器。如果程序是单线程的，那么在任何给定时间只能使用一个核心，其他核心处于闲置状态。而多线程可以让程序同时在多个核心上执行不同的任务，充分利用硬件资源，从而显著提高程序的执行速度。例如，一个视频处理软件可以使用一个线程进行视频解码，另一个线程进行图像增强，多个线程同时在不同的核心上运行，大大缩短视频处理的时间。
并行执行任务：对于可以并行执行的任务，多线程可以极大地提高效率。例如，在一个网络爬虫程序中，可以同时启动多个线程去爬取不同的网页。这些网页的爬取任务之间相互独立，没有依赖关系，可以并行执行。这样可以大大缩短整个爬虫任务的执行时间。

2.2 提高响应性

保持用户界面的响应性：在图形用户界面（GUI）应用程序中，使用多线程可以确保用户界面保持响应。例如，在一个文档编辑软件中，如果所有的操作都是单线程的，那么当进行一个耗时的保存操作时，整个用户界面会被冻结，用户无法进行其他操作，直到保存完成。而通过使用多线程，可以将耗时的操作放在一个单独的线程中执行，这样用户界面线程仍然可以响应用户的输入，如滚动、点击等操作。
处理异步事件：在处理网络通信、文件系统事件等异步操作时，多线程可以让程序在等待事件发生的同时继续执行其他任务。例如，一个网络服务器可以使用一个线程监听网络端口，当有新的连接请求时，创建一个新的线程来处理这个连接，这样可以同时处理多个客户端的请求，而不会因为等待一个请求的处理而阻塞其他请求。

2.3 简化程序设计

分离关注点：多线程可以将一个复杂的问题分解为多个相对简单的子任务，每个子任务由一个单独的线程负责。这样可以使程序的结构更加清晰，易于理解和维护。例如，在一个购物网站系统中，可以使用一个线程处理订单的生成，另一个线程处理库存的更新，还有一个线程处理支付的处理。每个线程专注于自己的任务，使得整个系统的设计更加模块化。
模拟并发行为：在某些情况下，程序需要模拟现实世界中的并发行为。例如，在一个模拟交通系统的程序中，可以使用多个线程来模拟不同车辆的行驶，这样可以更真实地反映交通系统的复杂性。多线程可以使程序更加接近现实世界的行为，从而提高程序的准确性和可靠性。

三、多线程的优缺点

3.1 多线程的优点

充分利用多核处理器：现代计算机普遍拥有多个处理器核心，多线程可以将任务分配到不同的核心上并行执行，最大限度地利用硬件资源，提高程序的执行效率。例如，在进行大规模数据处理时，多个线程可以同时对不同的数据块进行处理，显著缩短处理时间。就像一个工厂有多个车间，每个车间可以同时进行不同的生产任务，从而提高整个工厂的生产效率。
提高响应性：在图形用户界面（GUI）应用程序或网络服务器等场景中，多线程可以确保程序在执行耗时任务时仍然能够响应其他事件。例如，在一个 GUI 程序中，一个线程可以处理用户界面的交互，而另一个线程可以在后台执行数据加载或计算任务，这样用户不会因为等待后台任务而感到程序卡顿。好比在一个客服中心，一部分客服人员处理客户的咨询问题，同时另一部分客服人员可以在后台准备资料或处理其他事务，确保对客户的响应速度。
简化程序设计：对于一些复杂的问题，可以将其分解为多个较小的子任务，每个子任务由一个单独的线程来处理。这样可以使程序的结构更加清晰，易于理解和维护。例如，在一个视频编辑软件中，可以使用一个线程进行视频解码，另一个线程进行特效处理，还有一个线程进行音频处理，各个线程专注于自己的任务，降低了程序的复杂性。就像一个大型项目被分解成多个小项目，每个小项目由不同的团队负责，这样可以提高项目的管理效率和开发速度。

3.2 多线程的缺点

增加程序的复杂性：多线程程序的设计和调试比单线程程序更加复杂。线程之间的同步和通信需要仔细考虑，以避免出现数据竞争、死锁等问题。例如，多个线程同时访问和修改同一个共享数据时，需要使用同步机制来确保数据的一致性，但如果同步不当，可能会导致程序出现错误或性能下降。如同管理一个复杂的交通系统，需要协调不同车辆的行驶路线和速度，以避免碰撞和拥堵，这增加了管理的难度。
增加资源消耗：每个线程都需要占用一定的系统资源，如内存、栈空间等。如果创建过多的线程，可能会导致系统资源紧张，影响程序的性能甚至导致系统崩溃。例如，在一个资源有限的嵌入式系统中，过多的线程可能会耗尽内存和处理器时间，使系统无法正常运行。就像一个家庭如果有太多的人同时使用资源，如水电、食物等，可能会导致资源短缺，影响家庭的正常生活。
调试困难：多线程程序中的错误往往难以复现和调试，因为线程的执行顺序是不确定的，错误可能只在特定的线程执行顺序下才会出现。例如，一个死锁问题可能只在特定的负载条件下或特定的线程调度顺序下才会发生，这使得调试变得非常困难。好比在一个迷宫中，有多个移动的物体，它们的运动轨迹是不确定的，要找到其中的问题点非常困难。