作為一個合格的Java程序員声登，必須要對并發(fā)編程有一個深層次的了解，在很多互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)都會重點考察這一塊′桃颍可能很多工作3年以上的Java程序員對于這一領(lǐng)域幾乎沒有太多研究。所以在接下來內(nèi)容中伺绽，我會將并發(fā)編程整個領(lǐng)域由淺到深做非常全面的分析养泡。
內(nèi)容導(dǎo)航
- 從操作系統(tǒng)的發(fā)展了解進程、線程模型
- 線程的優(yōu)勢
- 線程的生命周期
- 線程的應(yīng)用場景
了解進程憔恳、線程模型
每次學(xué)習(xí)一個新技術(shù)瓤荔，我會先去了解這個技術(shù)的背景净蚤，這個過程看似浪費時間钥组，其實在后續(xù)的學(xué)習(xí)過程中，能夠促進理解很多問題今瀑。所以對于線程這個概念程梦，我會先從操作系統(tǒng)講起点把。因為操作系統(tǒng)的發(fā)展帶來了軟件層面的變革。 從多線程的發(fā)展來看屿附，可以操作系統(tǒng)的發(fā)展分為三個歷史階段：
- 真空管和穿孔卡片
- 晶體管和批處理系統(tǒng)
- 集成電路和多道程序設(shè)計
最早的計算機只能解決簡單的數(shù)學(xué)運算問題郎逃，比如正弦、余弦等挺份。運行方式：程序員首先把程序?qū)懙郊埳习玻缓蟠┛壮煽ㄆ保侔芽ㄆ袔氲綄ｉT的輸入室匀泊。輸入室會有專門的操作員將卡片的程序輸入到計算機上优训。計算機運行完當(dāng)前的任務(wù)以后，把計算結(jié)果從打印機上進行輸出各聘，操作員再把打印出來的結(jié)果送入到輸出室揣非，程序員就可以從輸出室取到結(jié)果。然后躲因，操作員再繼續(xù)從已經(jīng)送入到輸入室的卡片盒中讀入另一個任務(wù)重復(fù)上述的步驟早敬。
- 操作員在機房里面來回調(diào)度資源，造成計算機存在大量的空閑狀態(tài) 大脉。而當(dāng)時的計算機是非常昂貴的搞监，人們?yōu)榱?/li>
- 減少這種資源的浪費。就采用了 批處理系統(tǒng)來解決
批處理操作系統(tǒng)的運行方式：在輸入室收集全部的作業(yè)镰矿，然后用一臺比較便宜的計算機把它們讀取到磁帶上腺逛。然后把磁帶輸入到計算機，計算機通過讀取磁帶的指令來進行運算衡怀，最后把結(jié)果輸出磁帶上棍矛。批處理操作系統(tǒng)的好處在于，計算機會一直處于運算狀態(tài)抛杨，合理的利用了計算機資源够委。（運行流程如下圖所示）
- 批處理操作系統(tǒng)雖然能夠解決計算機的空閑問題，但是當(dāng)某一個作業(yè)因為等待磁盤或者其他I/O操作而暫停怖现，
- 那CPU就只能阻塞直到該I/O完成茁帽，對于CPU操作密集型的程序，I/O操作相對較少屈嗤，因此浪費的時間也很少潘拨。
- 但是對于I/O操作較多的場景來說，CPU的資源是屬于嚴重浪費的饶号。
多道程序設(shè)計的出現(xiàn)解決了這個問題铁追，就是把內(nèi)存分為幾個部分，每一個部分放不同的程序茫船。當(dāng)一個程序需要等待I/O操作完成時琅束。那么CPU可以切換執(zhí)行內(nèi)存中的另外一個程序扭屁。如果內(nèi)存中可以同時存放足夠多的程序，那CPU的利用率可以接近100%涩禀。 在這個時候料滥，引入了第一個概念- 進程, 進程的本質(zhì)是一個正在執(zhí)行的程序，程序運行時系統(tǒng)會創(chuàng)建一個進程艾船，并且給每個進程分配獨立的內(nèi)存地址空間保證每個進程地址不會相互干擾葵腹。同時，在CPU對進程做時間片的切換時屿岂，保證進程切換過程中仍然要從進程切換之前運行的位置出開始執(zhí)行礁蔗。所以進程通常還會包括程序計數(shù)器、堆棧指針雁社。
有了進程以后浴井，可以讓操作系統(tǒng)從宏觀層面實現(xiàn)多應(yīng)用并發(fā)。而并發(fā)的實現(xiàn)是通過CPU時間片不端切換執(zhí)行的霉撵。對于單核CPU來說磺浙，在任意一個時刻只會有一個進程在被CPU調(diào)度。
有了進程以后徒坡，為什么還會出現(xiàn)線程呢撕氧？
在一個應(yīng)用進程中，會存在多個同時執(zhí)行的任務(wù)喇完，如果其中一個任務(wù)被阻塞伦泥，將會引起不依賴該任務(wù)的任務(wù)也被阻塞。舉個具體的例子來說锦溪，我們平常用word文檔編輯內(nèi)容的時候不脯，都會有一個自動保存的功能，這個功能的作用是刻诊，當(dāng)計算機出現(xiàn)故障的情況下如果用戶未保存文檔防楷，則能夠恢復(fù)到上一次自動保存的點。假設(shè)word的自動保存因為磁盤問題導(dǎo)致寫入較慢则涯，勢必會影響到用戶的文檔編輯功能复局，直到磁盤寫入完成用戶才可編輯，這種體驗是很差的粟判。如果我們把一個進程中的多個任務(wù)通過線程的方式進行隔離亿昏，那么按照前面提到的進程演進的理論來說，在單核心CPU架構(gòu)中可以通過CPU的時間片切換實現(xiàn)線程的調(diào)度充分利用CPU資源以達到最大的性能档礁。
我們用了比較長的篇幅介紹了進程角钩、線程發(fā)展的歷史。總的來說是人們對于計算機的要求越來越高彤断；對于計算機本身的資源的利用率也在不斷提高野舶。
線程的優(yōu)勢
前面分析了線程的發(fā)展歷史易迹，這里簡單總結(jié)一下線程有的優(yōu)勢如下:
線程可以認為是輕量級的進程宰衙，所以線程的創(chuàng)建、銷毀要比進程更快
從性能上考慮睹欲，如果進程中存在大量的I/O處理供炼，通過多線程能夠加快應(yīng)用程序的執(zhí)行速度(通過CPU時間片的快速切換)。
由于線程是CPU的最小調(diào)度單元窘疮，所以在多CPU架構(gòu)中能夠?qū)崿F(xiàn)真正的并行執(zhí)行袋哼。每一個CPU可以調(diào)度一個線程
這里有兩個概念很多人沒有搞明白，就是并行和并發(fā)：
并行：同時執(zhí)行多個任務(wù)闸衫，在多核心CPU架構(gòu)中涛贯，一個CPU核心運行一個線程，那么4核心CPU蔚出，可以同時執(zhí)行4個線程
并發(fā)：同處理多個任務(wù)的能力,通常我們會通過TPS或者QPS來表示某某系統(tǒng)支持的并發(fā)數(shù)是多少弟翘。
總的來說，并行是并發(fā)的子集骄酗。也就是說我們可以寫一個擁有多線程并行的程序稀余，如果在沒有多核心CPU來執(zhí)行這些線程，那就不能以并行的方式來運行程序中的多個線程趋翻。所以并發(fā)程序可以是并行的睛琳，也可以不是。Erlang之父Joe Armstrong通過一張圖型的方式來解釋并發(fā)和并行的區(qū)別踏烙，圖片如下：
線程的生命周期
線程是存在生命周期的师骗，從線程的創(chuàng)建到銷毀，可能會經(jīng)歷6種不同的狀態(tài)讨惩，但是在一個時刻線程只能處于其中一種狀態(tài)丧凤。
NEW：初始狀態(tài)，線程被創(chuàng)建時候的狀態(tài)步脓，還沒有調(diào)用start方法
RUNNABLE：運行狀態(tài)愿待，運行狀態(tài)包含就緒和運行兩種狀態(tài)，因為線程啟動以后靴患，并不是立即執(zhí)行仍侥，而是需要通過調(diào)度去分配CPU時間片
BLOCKED：阻塞狀態(tài)，當(dāng)線程去訪問一個加鎖的方法時鸳君，如果已經(jīng)有其他線程獲得鎖农渊，那么當(dāng)前線程會處于阻塞狀態(tài)
WAITING：等待狀態(tài)，設(shè)置線程進入等待狀態(tài)等待其他線程做一些特定的動作進行觸發(fā)
TIME_WAITING：超時等待狀態(tài)或颊，和WAITING狀態(tài)的區(qū)別在于超時以后自動返回
TERMINATED：終止?fàn)顟B(tài)砸紊，線程執(zhí)行完畢
下圖整理了線程的狀態(tài)變更過程及變更的操作传于，每一個具體的操作原理，我會在后續(xù)的文章中進行詳細分析醉顽。
這里有一個問題大家可能搞不明白沼溜，BLOCKED和WAITING這兩個阻塞有什么區(qū)別？
- BLOCKED狀態(tài)是指當(dāng)前線程在等待一個獲取鎖的操作時的狀態(tài)游添。
- WAITING是通過Object.wait或者Thread.join系草、LockSupport.park等操作實現(xiàn)的
- BLOCKED是被動的標(biāo)記，而WAITING是主動操作
- 如果說得再深入一點唆涝，處于WAITING狀態(tài)的線程找都，被喚醒以后，需要進入同步隊列去競爭鎖操- 作廊酣，而在同步隊列中能耻，如果已經(jīng)有其他線程持有鎖，則線程會處于BLOCKED狀態(tài)亡驰。所以可以說- BLOCKED狀態(tài)是處于WAITING狀態(tài)的線程重新喚醒的必經(jīng)的狀態(tài)
線程的應(yīng)用場景
線程的出現(xiàn)晓猛，在多核心CPU架構(gòu)下實現(xiàn)了真正意義上的并行執(zhí)行。也就是說隐解，一個進程內(nèi)多個任務(wù)可以通過多線程并行執(zhí)行來提高程序運行的性能鞍帝。那線程的使用場景有哪些呢？
- 執(zhí)行后臺任務(wù)煞茫，在很多場景中帕涌，可能會有一些定時的批量任務(wù)，比如定時發(fā)送短信续徽、定時生成批量文件蚓曼。在這些場景中可以通過多線程的來執(zhí)行
- 異步處理，比如在用戶注冊成功以后給用戶發(fā)送優(yōu)惠券或者短信钦扭，可以通過異步的方式來執(zhí)行纫版，一方面提升主程序的執(zhí)行性能；另一方面可以解耦核心功能客情，防止非核心功能對核心功能造成影響
- 分布式處理其弊，比如fork/join，將一個任務(wù)拆分成多個子任務(wù)分別執(zhí)行
- BIO模型中的線程任務(wù)分發(fā)膀斋，也是一種比較常見的使用場景梭伐，一個請求對應(yīng)一個線程。
合理的利用多線程仰担，可以提升程序的吞吐量糊识。同時，還可以通過增加CPU的核心數(shù)來提升程序的性能，這就體現(xiàn)了伸縮性的特點
關(guān)注我：私信回復(fù)“源碼”獲取往期Java高級架構(gòu)資料赂苗、源碼愉耙、筆記、視頻Dubbo拌滋、Redis朴沿、Netty、zookeeper鸠真、Spring cloud悯仙、分布式龄毡、高并發(fā)等架構(gòu)技術(shù)往期架構(gòu)視頻
