《03-javaEE系列---多线程》

回顾：进程的概念

在多任务操作系统中，我们希望能够同时运行多个程序。这种并发运行的能力，使得系统资源能够被更高效地利用，也让用户体验更加流畅。

进程（Process）就是为了解决并发编程问题而引入的一个重要概念。本质上，它是操作系统分配资源的基本单位，拥有独立的内存空间、文件描述符等系统资源。

在互联网发展的早期，服务器端的Web开发主要使用C语言编写，采用了CGI（Common Gateway Interface）技术。这种模式基于多进程：服务器在接收到一个用户请求时，会为每一个请求创建一个独立的进程，处理完成后再销毁该进程。

然而，这种模式带来了一些明显的问题：

• 每次请求都需要创建和销毁进程，频繁的资源申请与释放，导致开销巨大。

• 服务器的性能受限于进程的创建和销毁速度，当请求量大时，系统负载急剧上升。

造成开销巨大的根本原因，在于进程的资源隔离特性：每个进程都有自己独立的一套资源，这意味着创建一个新进程时，需要完整地分配一套新的资源。

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线程的引入：轻量级进程

为了优化进程创建与销毁的开销，操作系统引入了线程（Thread）的概念。

线程又被称为轻量级进程。它在进程的基础上进行了改进，保留了独立调度和并发执行的能力，但通过共享进程的资源，大幅度降低了创建与销毁的开销。

线程相比进程有以下优势：

• 高效创建与销毁：创建一个线程仅需分配少量资源（如栈空间和线程控制块TCB），远比创建一个完整进程高效。

• 资源共享：同一进程下的多个线程可以共享内存空间、打开的文件描述符、环境变量等，大大减少资源重复分配。

• 调度开销小：线程切换所需保存和恢复的上下文信息更少，因此线程切换通常比进程切换更快。

操作系统在进行多任务调度时，本质上是调度PCB（Process Control Block，进程控制块）或TCB（Thread Control Block，线程控制块）。每个线程也有自己的状态、优先级、上下文信息，只是它们共享了进程的大部分资源。

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进程与线程的关系

在没有线程的早期设计中，进程同时承担两个职责：

• 资源分配的基本单位

• 调度执行的基本单位

引入线程之后，这两个角色被清晰地区分：

• 进程专注于资源的拥有和管理。

• 线程专注于任务的执行和调度。

每个进程在创建时，至少包含一个主线程（Main Thread）。在程序运行过程中，进程可以根据需要动态创建更多线程来执行不同的任务。

值得注意的是：

• 进程独立，线程共享。不同进程之间是相互独立的，而同一进程内的线程之间可以共享数据，因此线程间通信更加高效（不需要IPC机制）。

• 线程安全问题。由于线程共享内存资源，多个线程同时访问同一资源时容易引发竞争条件，必须通过加锁、同步等机制来保证线程安全。

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线程数量的影响

虽然线程的创建和调度开销小于进程，但线程数量过多也会带来新的问题：

• 资源竞争：CPU核心数量是有限的，当线程数量远远超过可用核心数时，线程之间会频繁抢占CPU时间片，导致频繁上下文切换，反而降低系统整体性能。

• 调度开销增加：线程调度需要维护更多的上下文信息，调度器的负担加重。

• 异常影响整个进程：如果某个线程出现了未捕获的异常并导致崩溃，整个进程也可能被终止。

因此，在设计多线程程序时，应合理控制线程的数量，避免盲目创建过多线程。

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小结

• 进程是资源分配的基本单位。每个进程拥有独立的内存空间、文件描述符等资源。

• 线程是调度执行的基本单位。同一进程内的多个线程共享资源，因此线程创建和销毁的开销更小。

• 线程间共享资源带来了线程安全问题，需要通过锁机制等方式保护共享数据。

• 线程数量适度为宜。线程太少无法充分利用CPU资源，线程太多又会导致频繁的资源竞争和性能下降。

• 合理使用线程模型，可以在保持高效并发的同时，尽量减少系统开销和错误风险。

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扩展阅读

如果想进一步深入理解进程与线程的相关概念，推荐阅读以下内容：

• 线程安全与同步机制
  探索如何通过互斥锁（Mutex）、信号量（Semaphore）、读写锁（ReadWriteLock）等机制，保证多线程环境下数据的正确性。

• 进程间通信（IPC）
  在多进程场景下，由于进程之间资源独立，需要借助管道（Pipe）、消息队列（Message Queue）、共享内存（Shared Memory）等方式实现通信。

• 线程池的原理与应用
  线程池通过复用线程，避免了频繁创建销毁线程的开销，是高并发场景中非常重要的性能优化手段。可以了解Java中的ExecutorService框架，或者C++中的std::thread结合自定义线程池实现。

• 协程（Coroutine）与线程的区别
  协程作为一种更轻量级的并发实现方式，相较于线程拥有更低的切换开销和更高的调度效率，适合I/O密集型应用。

• 常见面试题整理
  比如：进程和线程的区别？线程和协程的区别？线程池的工作原理？为什么线程过多反而降低性能？等等。