关于线程通信的通俗解释

线程通信主要分为以下几个部分,下面通过生活中图书馆借书的例子简单讲解以下:

  • 通过共享对象通信

    加入图书馆只有一本《java并发编程实战》,小A早上的时候把这本书给借走了,然后下午小B去图书馆去找这本书,这时候小A和小B是两个线程,《java并发编程实战》就是共享对象(类似于多线程中的全局变量的资源),小B发现这本书已经被借走了,所以就回去等了几天,几天后,小B又去图书馆发现这本书被还回来了,就把书借走了,这就是通过共享对象进行通信。

  • 忙等待

    由于快要BAT实习生招聘了,所以小B非常想看这本书,所以小B就每隔一个小时(while循环)就去看看这本书有没有被还回来了,这样虽然比较耗费处理器资源,但是只要书一旦被还回来,小B就可以马上知道。

  • wait() notify() notifyAll()

    由于图书馆隔着宿舍比较近,所以小B发现每隔一个小时就去图书馆身体有点吃不消,不过很快,学校的图书馆系统增加了短信提醒功能(notify()),所以小B可以一边睡觉一边等短信。

  • 丢失的信号

    图书馆系统是这么设计的,当有一本书被还回来的时候,就会给等待者发短信,但是短信只能发送一次,如果没有等待者,短信也会发出(只不过这个时候没有没有接受者),问题出现了,因为短信只会发一次,当书被还回来的时候,没有人等待借书,他会发一条空短信,但是之后有等待借此本书的同学永远也不会再收到短信,导致这些同学会无休止的等待。为了解决这个问题,我们要进入等待状态的时候先打电话问问图书馆阿姨是否需要继续等待。

  • 假唤醒

    图书馆系统有一个bug,会是不是给用户发送错误短信,我们很听话,收到短信就会去图书馆借书,但是到达图书馆后发现书根本就没有被还回来,然后接着做其他的事情。

<think>我们正在讨论多线程编程的基本概念及执行流程。根据引用内容,我们可以从以下几个方面进行阐述:1.**线程的基本概念**:线程是程序执行的最小单位,一个进程可以包含多个线程多线程允许程序同时执行多个任务,提高效率。2.**多线程执行流程**:在多线程程序中,多个线程共享进程的资源(如内存空间),但每个线程有自己的执行栈和程序计数器。操作系统负责调度线程的执行,通过时间片轮转等方式实现并发执行。3.**线程安全与同步**:当多个线程访问共享资源时,可能会引发竞态条件。因此需要同步机制(如锁)来确保线程安全。4.**多线程编程模型**:如引用[2]提到的QT多线程编程,以及引用[1]中Python的threading模块,都提供了创建和管理线程的类和方法。5.**并行度与子任务**:如引用[3]所述,并行度是指可以同时执行的子任务数(Subtask),每个子任务运行在一个线程中。下面我们结合一个简单的多线程代码示例(使用Python的threading模块)来说明执行流程:```pythonimportthreadingimporttimedefworker(thread_id):print(f"线程{thread_id}开始执行")time.sleep(2)#模拟工作负载print(f"线程{thread_id}结束执行")#创建两个线程threads=[]foriinrange(2):t=threading.Thread(target=worker,args=(i,))threads.append(t)t.start()#启动线程#等待所有线程完成fortinthreads:t.join()print("所有线程执行完毕")```**执行流程分析**:1.主线程创建并启动两个工作线程(worker)。2.每个工作线程执行`worker`函数,打印开始信息,然后休眠2秒,最后打印结束信息。3.主线程调用`join()`方法等待工作线程结束,然后打印完成信息。在这个过程中,两个工作线程是并发执行的(由于GIL的存在,在Python中同一时刻只有一个线程执行Python字节码,但I/O操作期间会释放GIL,因此I/O密集型任务仍可从多线程中受益)。**关键概念**:-**Thread类**:用于创建线程(如`threading.Thread`)。-**启动线程**:调用`start()`方法,线程进入就绪状态,等待调度。-**线程执行**:线程运行其`target`函数,执行完毕后线程终止。-**线程同步**:此示例未涉及共享资源,因此无需同步。若需同步,可使用`Lock`等机制。**注意事项**:-线程通信:可以通过共享变量(需同步)或队列(线程安全的数据结构)进行。-异常处理:线程中的异常需要在线程内捕获,否则可能导致程序意外终止。通过以上示例和解释,我们可以理解多线程编程的基本概念和执行流程。多线程编程的核心在于合理地划分任务、管理线程生命周期以及确保线程安全[^1][^2][^3]。§§相关问题§§1.多线程编程中常见的同步机制有哪些?2.如何避免多线程编程中的死锁问题?3.多线程编程适用于哪些应用场景?</think>### 多线程编程的基本概念及执行流程 #### 一、核心概念 1. **线程(Thread)** 程序执行的最小单元,一个进程可包含多个线程线程共享进程的内存空间(堆、全局变量),但拥有独立的执行栈和程序计数器[^1][^2]。 2. **并发 vs 并行** - **并发**:多个任务在单核CPU上交替执行(时间片轮转) - **并行**:多核CPU上同时执行多个任务 > 公式表示:$$ \text{并行度} = \frac{\text{总任务数}}{\text{子任务执行时间}} $$[^3] 3. **线程安全(Thread Safety)** 当多个线程访问共享资源时,需通过同步机制(如锁)确保数据一致性,避免竞态条件(Race Condition)[^1]。 #### 二、多线程执行流程 ```mermaid graph TD A[主线程创建] --> B[启动子线程] B --> C{线程调度器分配CPU时间片} C -->|并行/并发| D[子线程执行任务] D --> E[访问共享资源?] E -->|是| F[申请锁→操作资源→释放锁] E -->|否| G[继续执行] F --> H[任务完成] G --> H H --> I[线程终止] ``` 关键步骤说明: 1. **线程创建**:通过`Thread`类(Python)或`QThread`(QT)实例化线程对象 2. **任务分配**:将函数/方法绑定到线程(如Python的`target=worker_func`) 3. **启动线程**:调用`start()`方法触发线程调度 4. **线程调度**:操作系统决定线程执行顺序和时间分配 5. **资源访问**: - 使用互斥锁(`Lock`)保护临界区 - 通过队列(`Queue`)实现线程通信 6. **线程结束**: - 正常退出:任务执行完毕 - 强制终止:调用`join()`等待或设置超时 #### 三、代码示例(Python threading) ```python import threading # 共享资源 counter = 0 lock = threading.Lock() def increment(): global counter for _ in range(100000): with lock: # 自动获取和释放锁 counter += 1 threads = [] for _ in range(4): t = threading.Thread(target=increment) threads.append(t) t.start() for t in threads: t.join() # 等待所有线程结束 print(f"Final counter: {counter}") # 正确输出400000 ``` > 此例演示了: > - 4个线程并发修改共享变量 > - 使用`with lock`确保原子操作 > - `join()`实现线程同步[^1] #### 四、关键挑战 1. **死锁(Deadlock)**:多个线程相互等待对方释放锁 > 避免方案:按固定顺序获取锁 / 设置超时 2. **资源竞争**:使用线程安全数据结构(如`queue.Queue`) 3. **线程管理**:线程池(`ThreadPoolExecutor`)控制并发数量 #### 五、应用场景 1. I/O密集型任务(网络请求/文件读写) 2. 并行计算(图像处理/数据分析) 3. GUI程序保持响应(QT主线程+工作线程)[^2] 4. 实时数据处理(Flink流计算)[^3] 多线程通过合理利用CPU资源提升程序性能,但需谨慎处理同步问题以确保正确性[^1][^2][^3]。
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