Java 多執行緒基礎：行程和執行緒之由來

（給ImportNew加星標，提高Java技能）

 

轉自：部落格園，作者：Matrix海子

連結：www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3910667.html

 

現在我們來討論一點稍微難一點的問題：Java併發程式設計。當然，Java併發程式設計涉及到很多方面的內容，不是一朝一夕就能夠融會貫通使用的，需要在實踐中不斷積累。由於併發肯定涉及到多執行緒，因此在進入併發程式設計主題之前，我們先來瞭解一下行程和執行緒的由來，這對後面對併發程式設計的理解將會有很大的幫助。

 

一.作業系統中為什麼會出現行程？

 

說起行程的由來，我們需要從作業系統的發展歷史談起。

 

也許在今天，我們無法想象在很多年以前計算機是什麼樣子。我們現在可以用計算機來做很多事情：辦公、娛樂、上網，但是在計算機剛出現的時候，是為瞭解決數學計算的問題，因為很多大量的計算透過人力去完成是很耗時間和人力成本的。在最初的時候，計算機只能接受一些特定的指令，使用者輸入一個指令，計算機就做一個操作。當使用者在思考或者輸入資料時，計算機就在等待。顯然這樣效率和很低下，因為很多時候，計算機處於等待使用者輸入的狀態。

 

那麼能不能把一系列需要操作的指令預先寫下來，形成一個清單，然後一次性交給計算機，計算機不斷地去讀取指令來進行相應的操作？就這樣，批處理作業系統誕生了。使用者可以將需要執行的多個程式寫在磁帶上，然後交由計算機去讀取並逐個地執行這些程式，並將輸出結果寫到另一個磁帶上。

 

雖然批處理作業系統的誕生極大地提高了任務處理的便捷性，但是仍然存在一個很大的問題：

 

假如有兩個任務A和B，任務A在執行到一半的過程中，需要讀取大量的資料輸入（I/O操作），而此時CPU只能靜靜地等待任務A讀取完資料才能繼續執行，這樣就白白浪費了CPU資源。人們於是想，能否在任務A讀取資料的過程中，讓任務B去執行，當任務A讀取完資料之後，讓任務B暫停，然後讓任務A繼續執行？

 

但是這樣就有一個問題，原來每次都是一個程式在計算機裡面執行，也就說記憶體中始終只有一個程式的執行資料。而如果想要任務A執行I/O操作的時候，讓任務B去執行，必然記憶體中要裝入多個程式，那麼如何處理呢？多個程式使用的資料如何進行辨別呢？並且當一個程式執行暫停後，後面如何恢復到它之前執行的狀態呢？

 

這個時候人們就發明瞭行程，用行程來對應一個程式，每個行程對應一定的記憶體地址空間，並且只能使用它自己的記憶體空間，各個行程間互不幹擾。並且行程儲存了程式每個時刻的執行狀態，這樣就為行程切換提供了可能。當行程暫時時，它會儲存當前行程的狀態（比如行程標識、行程的使用的資源等），在下一次重新切換回來時，便根據之前儲存的狀態進行恢復，然後繼續執行。

 

這就是併發，能夠讓作業系統從宏觀上看起來同一個時間段有多個任務在執行。換句話說，行程讓作業系統的併發成為了可能。

 

註意，雖然併發從宏觀上看有多個任務在執行，但是事實上，任一個具體的時刻，只有一個任務在佔用CPU資源（當然是對於單核CPU來說的）。

 

二.為什麼會出現執行緒？

 

在出現了行程之後，作業系統的效能得到了大大的提升。雖然行程的出現解決了作業系統的併發問題，但是人們仍然不滿足，人們逐漸對實時性有了要求。因為一個行程在一個時間段內只能做一件事情，如果一個行程有多個子任務，只能逐個地去執行這些子任務。比如對於一個監控系統來說，它不僅要把影象資料顯示在畫面上，還要與服務端進行通訊獲取影象資料，還要處理人們的互動操作。如果某一個時刻該系統正在與伺服器通訊獲取影象資料，而使用者又在監控系統上點選了某個按鈕，那麼該系統就要等待獲取完影象資料之後才能處理使用者的操作，如果獲取影象資料需要耗費10s，那麼使用者就只有一直在等待。顯然，對於這樣的系統，人們是無法滿足的。

 

那麼可不可以將這些子任務分開執行呢？即在系統獲取影象資料的同時，如果使用者點選了某個按鈕，則會暫停獲取影象資料，而先去響應使用者的操作（因為使用者的操作往往執行時間很短），在處理完使用者操作之後，再繼續獲取影象資料。人們就發明瞭執行緒，讓一個執行緒去執行一個子任務，這樣一個行程就包括了多個執行緒，每個執行緒負責一個獨立的子任務，這樣在使用者點選按鈕的時候，就可以暫停獲取影象資料的執行緒，讓UI執行緒響應使用者的操作，響應完之後再切換回來，讓獲取影象的執行緒得到CPU資源。從而讓使用者感覺系統是同時在做多件事情的，滿足了使用者對實時性的要求。

 

換句話說，行程讓作業系統的併發性成為可能，而執行緒讓行程的內部併發成為可能。

 

但是要註意，一個行程雖然包括多個執行緒，但是這些執行緒是共同享有行程佔有的資源和地址空間的。行程是作業系統進行資源分配的基本單位，而執行緒是作業系統進行排程的基本單位。

 

三.多執行緒併發

 

由於多個執行緒是共同佔有所屬行程的資源和地址空間的，那麼就會存在一個問題：

 

如果多個執行緒要同時訪問某個資源，怎麼處理？

 

這個問題就是後續文章中要重點講述的同步問題。

 

那麼可能有朋友會問，現在很多時候都採用多執行緒程式設計，那麼是不是多執行緒的效能一定就由於單執行緒呢？

 

不一定，要看具體的任務以及計算機的配置。比如說：

 

對於單核CPU，如果是CPU密集型任務，如解壓檔案，多執行緒的效能反而不如單執行緒效能，因為解壓檔案需要一直佔用CPU資源，如果採用多執行緒，執行緒切換導致的開銷反而會讓效能下降。

 

但是對於比如互動型別的任務，肯定是需要使用多執行緒的、

 

而對於多核CPU，對於解壓檔案來說，多執行緒肯定優於單執行緒，因為多個執行緒能夠更加充分利用每個核的資源。

 

雖然多執行緒能夠提升程式效能，但是相對於單執行緒來說，它的程式設計要複雜地多，要考慮執行緒安全問題。因此，在實際程式設計過程中，要根據實際情況具體選擇。

 

關於行程和執行緒的由來，暫時就講這麼多了，感興趣的朋友可以參考相關資料。