进程-线程-协程

目录

一、进程

二、线程

线程死锁

三、协程

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参考   带你通俗易懂了解进程、线程和协程

一、进程

• 字面意思可以理解成“正在进行的程序”，这样子的话可以把进程当成是一个动态的，程序是一个静态的。
• 好比视频播放器（一个程序），不点击播放按钮，它不会“动”，就是一串安静的代码，当你双击时它就会“动”，视频播放器（程序）就通过进程“动”起来了。
• 进程怎么做到的？
• 进程会利用操作系统的调度器分配给它的 CPU 时间片，通过 CPU 来执行代码（注意：现代操作系统都是直接调度线程，不会调度进程哦）

操作系统给进程分配了 CPU 时间片资源，在代码执行过程，还需要存储一些

数据（如程序代码本身就需要先存储起来。代码执行过程中的变量、常量这些存储在数据段，堆中，还有栈中。），

所以进程还分配有内存空间资源。

• Q:从上面可以知道线程都共享进程的什么资源？

  A:分配给进程的资源，绝大部分都是线程间共享的。比如内存空间的代码段，数据段，堆。比如文件描述符等。而栈则是每个线程特有的，因为线程是程序执行的最小单位，它需要记录自己的局部变量等。

• 进程就是分配资源的基本单位 

“进程就是程序的实例（就像面向对象编程中的类，类是静态的，只有实例化后才运行，且同一个类可以有多个实例）”

二、线程

回到第一个例子，如果一个视频很大，我们想看个这个视频，要等视频播放器    加载、解码完整视频-->才能播放 ，这样效率很慢，我们可以想到可以一边加载解码一边播放，这样不会浪费时间空等。

• 所以我们可以让 一个进程（让视频动起来）里边有好几个线程（线程1：加载解码视频，线程2：播放）
• 还有另一种方法就是有2个进程（进程1：加载和解码视频，进程2：播放）

        但是这个方法有什么缺点吗？

首先得知道：进程间是完全独立的，互不干扰。而线程则共享同一个进程的资源，

所以线程间交换数据更方便，几乎没有通讯损耗。但进程间交换数据就麻烦多了，得通过一些通讯机制，比如管道、消息队列之类的。

所以方法2pass

• 我们都知道资源有分配，就会有冲突。而且线程的执行时机由操作系统调度，程序员无法控制。
• 但大部分情况下线程之间还是可以和平共处的，但有一种情况，就是大家都想对同个资源进行写操作时，就会发生覆盖，导致数据不一致等问题。
• 解决方法有很多种，比如加锁方案，无锁方案等。
• 例子

public class Main {
    // 定义一个静态成员变量 a
    private static int a = 1;

    // 定义一个方法 add 来增加 a 的值
    public static void add() {
        a += 1;
    }

    public static void main(String[] args) {
        add();
        System.out.println("a 的值是: " + a); // 输出 a 的值
    }
}

a 是个静态成员变量，它存储在进程内存空间的数据段，共享于多个线程，所以它属于线程间共享的资源。

 add 方法的逻辑 a += 1；

步骤一：获取 a 变量的值

步骤二：执行 +1 运算

步骤三：将运行结果赋值给 a

• 如果线程 1 在执行完步骤一和步骤二，还没执行步骤三时，操作系统进行了 CPU 调度，发生了线程切换，使得线程 2 也开始执行步骤一和步骤二。
• 接下来线程 1 和线程 2 都会各自执行步骤三。
• 因为 add 方法执行了两次，正确的结果 a 的值应该是 +2。但结果是 +1。这样的结果有时候会让你摸不着头脑，而不稳定的结果也将会导致应用的不稳定。

• Q:从上面的例子我们知道  “操作系统进行了 CPU 调度，发生了线程切换”                         那线程切换到底发生了什么呢？
• A:线程切换会进行线程上下文切换。线程在运行时，实际上是在执行代码，而执行代码过程中需要存储一些中间数据，也可能会执行一些 I/O 操作。                                       如果过程中被中断，需要得保留现场，以便下次恢复继续运行。

• Q:线程切换具体都存储些什么呢？
• A:首先是下一个要执行的代码，这个存储在程序计数器中。然后是一些中间数据如局部变量等，会存储在线程栈中，所以线程栈指针也需要保存。。为了加速计算，中间数据中对当前指令执行至关重要的部分会存储在寄存器中。

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线程死锁

1、什么是线程死锁?

        线程死锁描述的是这样一种情况：多个线程同时被阻塞，它们中的一个或者全部都在等待某个资源被释放。由于线程被无限期地阻塞，因此程序不可能正常终止。

如下图所示，线程 A 持有资源 2，线程 B 持有资源 1，他们同时都想申请对方的资源，所以这两个线程就会互相等待而进入死锁状态。

                           

产生死锁的四个必要条件：

1. 互斥条件：该资源任意一个时刻只由一个线程占用。

2. 请求与保持条件：指一个线程已经持有了至少一个资源，但又提出了新的资源请求，

   而新资源已被其他线程占有，所以当前线程会被阻塞，但阻塞的同时并不释放自己

   已经获取的资源。

3. 不剥夺条件:线程已获得的资源在未使用完之前不能被其他线程强行剥夺，只有自己使用完毕后才释放资源。

4. 循环等待条件:若干线程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。

如何检测死锁？

        使用jmap、jstack等命令查看 JVM 线程栈和堆内存的情况。如果有死锁，jstack 的输出中通常会有 Found one Java-level deadlock:的字样，后面会跟着死锁相关的线程信息。另外，实际项目中还可以搭配使用top、df、free等命令查看操作系统的基本情况，出现死锁可能会导致CPU、内存等资源消耗过高。

如何预防死锁？

破坏死锁的产生的必要条件即可：

1. 破坏请求与保持条件：一次性申请所有的资源。

2. 破坏不剥夺条件：占用部分资源的线程进一步申请其他资源时，如果申请不到，可以主动释放它占有的资源。

3. 破坏循环等待条件：靠按序申请资源来预防。按某一顺序申请资源，释放资源则反序释放。破坏循环等待条件。

如何避免死锁？

避免死锁就是在资源分配时，借助于算法（比如银行家算法）对资源分配进行计算评估，使其进入安全状态。

安全状态 指的是系统能够按照某种线程推进顺序（P1、P2、P3……Pn）来为每个线程分配所需资源，直到满足每个线程对资源的最大需求，使每个线程都可顺利完成。称 <P1、P2、P3.....Pn> 序列为安全序列。

三、协程

• 还是第一个例子，我们之前一个线程负责运行加载和解码逻辑，另一个线程负责播放逻辑，对吧？
• 其实还有优化的空间。线程在执行加载视频片段时，必须等待结果返回才能执行解码操作。

• 这样加载片段的等待时间似乎又被浪费了，协程所能发挥的作用让我们可以充分利用这段时间。只需让线程在加载的同时进行解码，就能大幅减少加载等待的时间。

• Q:但是我们只要用不同的线程分别处理加载和解码，也能达到同样的效果。
• A:这样做可以是可以，但多线程会带来一些问题。“首先，一个线程用于执行加载操作，这主要是 I/O 操作，几乎不消耗 CPU 资源，导致该线程长时间处于阻塞状态，这是很浪费的。当然，你可以让它休眠以释放 CPU 时间，但创建线程本身就有开销，线程切换同样有开销。相比之下，协程非常轻量，创建和切换的开销极小”

• Q:为什么协程的创建和切换的开销极小呢？
• A:主要是因为它并非操作系统层面的东西，就不涉及内核调度。一般是由编程语言来实现，它属于用户态。

• Q:那协程不会有像多线程那样的资源覆盖问题吗？
• A:线程的执行时机由操作系统调度，程序员无法控制，这正是多线程容易出现资源覆盖的主要原因。而协程的执行时机由程序自身控制，不受操作系统调度影响，因此可以完全避免这类问题。
• 此外，同一个线程内的多个协程共享同一个线程的 CPU 时间片资源，它们在 CPU 上的执行是有先后顺序的，不能并行执行。协程不能并行执行，而线程是可以并行执行的。

• Q:协程能并发执行：在一个线程内并发执行多个任务
• A:协程则可以在执行到一半时暂停。利用这一特性，我们可以在遇到 I/O 这类不消耗 CPU 资源的操作时，将其挂起，继续执行其他计算任务，充分利用 CPU 资源。等 I/O 操作结果返回时，再恢复执行。