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java高并發(fā)系列 - 第5天:深入理解進(jìn)程和線(xiàn)程

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摘要：一旦等到期望的事件，線(xiàn)程就會(huì)再次進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。表示結(jié)束狀態(tài)，線(xiàn)程執(zhí)行完畢之后進(jìn)入結(jié)束狀態(tài)。一個(gè)進(jìn)程可以包括多個(gè)線(xiàn)程。

進(jìn)程

進(jìn)程（Process）是計(jì)算機(jī)中的程序關(guān)于某數(shù)據(jù)集合上的一次運(yùn)行活動(dòng)，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位，是操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。程序是指令、數(shù)據(jù)及其組織形式的描述，進(jìn)程是程序的實(shí)體。

進(jìn)程具有的特征：

動(dòng)態(tài)性：進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行過(guò)程，是臨時(shí)的，有生命期的，是動(dòng)態(tài)產(chǎn)生，動(dòng)態(tài)消亡的
并發(fā)性：任何進(jìn)程都可以同其他進(jìn)行一起并發(fā)執(zhí)行
獨(dú)立性：進(jìn)程是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個(gè)獨(dú)立單位
結(jié)構(gòu)性：進(jìn)程由程序，數(shù)據(jù)和進(jìn)程控制塊三部分組成
我們經(jīng)常使用windows系統(tǒng)，經(jīng)常會(huì)看見(jiàn).exe后綴的文件，雙擊這個(gè).exe文件的時(shí)候，這個(gè)文件中的指令就會(huì)被系統(tǒng)加載，那么我們就能得到一個(gè)關(guān)于這個(gè).exe程序的進(jìn)程。進(jìn)程是“活”的，或者說(shuō)是正在被執(zhí)行的。

window中打開(kāi)任務(wù)管理器，可以看到當(dāng)前系統(tǒng)中正在運(yùn)行的進(jìn)程，如下圖：

線(xiàn)程

線(xiàn)程是輕量級(jí)的進(jìn)程，是程序執(zhí)行的最小單元，使用多線(xiàn)程而不是多進(jìn)程去進(jìn)行并發(fā)程序的設(shè)計(jì)，是因?yàn)榫€(xiàn)程間的切換和調(diào)度的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于進(jìn)程。

我們用一張圖來(lái)看一下線(xiàn)程的狀態(tài)圖：

線(xiàn)程的所有狀態(tài)在java.lang.Thread中的State枚舉中有定義，如：

public enum State {

NEW,
RUNNABLE,
BLOCKED,
WAITING,
TIMED_WAITING,
TERMINATED;

}

線(xiàn)程幾個(gè)狀態(tài)的介紹：

New：表示剛剛創(chuàng)建的線(xiàn)程，這種線(xiàn)程還沒(méi)有開(kāi)始執(zhí)行
RUNNABLE：運(yùn)行狀態(tài)，線(xiàn)程的start()方法調(diào)用后，線(xiàn)程會(huì)處于這種狀態(tài)
BLOCKED：阻塞狀態(tài)。當(dāng)線(xiàn)程在執(zhí)行的過(guò)程中遇到了synchronized同步塊，但這個(gè)同步塊被其他線(xiàn)程已獲取還未釋放時(shí)，當(dāng)前線(xiàn)程將進(jìn)入阻塞狀態(tài)，會(huì)暫停執(zhí)行，直到獲取到鎖。當(dāng)線(xiàn)程獲取到鎖之后，又會(huì)進(jìn)入到運(yùn)行狀態(tài)（RUNNABLE）
WAITING：等待狀態(tài)。和TIME_WAITING都表示等待狀態(tài)，區(qū)別是WAITING會(huì)進(jìn)入一個(gè)無(wú)時(shí)間限制的等，而TIME_WAITING會(huì)進(jìn)入一個(gè)有限的時(shí)間等待，那么等待的線(xiàn)程究竟在等什么呢？一般來(lái)說(shuō)，WAITING的線(xiàn)程正式在等待一些特殊的事件，比如，通過(guò)wait()方法等待的線(xiàn)程在等待notify()方法，而通過(guò)join()方法等待的線(xiàn)程則會(huì)等待目標(biāo)線(xiàn)程的終止。一旦等到期望的事件，線(xiàn)程就會(huì)再次進(jìn)入RUNNABLE運(yùn)行狀態(tài)。
TERMINATED：表示結(jié)束狀態(tài)，線(xiàn)程執(zhí)行完畢之后進(jìn)入結(jié)束狀態(tài)。
注意：從NEW狀態(tài)出發(fā)后，線(xiàn)程不能在回到NEW狀態(tài)，同理，處理TERMINATED狀態(tài)的線(xiàn)程也不能在回到RUNNABLE狀態(tài)

進(jìn)程與線(xiàn)程的一個(gè)簡(jiǎn)單解釋

進(jìn)程（process）和線(xiàn)程（thread）是操作系統(tǒng)的基本概念，但是它們比較抽象，不容易掌握。

1.計(jì)算機(jī)的核心是CPU，它承擔(dān)了所有的計(jì)算任務(wù)。它就像一座工廠(chǎng)，時(shí)刻在運(yùn)行。

2.假定工廠(chǎng)的電力有限，一次只能供給一個(gè)車(chē)間使用。也就是說(shuō)，一個(gè)車(chē)間開(kāi)工的時(shí)候，其他車(chē)間都必須停工。背后的含義就是，單個(gè)CPU一次只能運(yùn)行一個(gè)任務(wù)。

3.進(jìn)程就好比工廠(chǎng)的車(chē)間，它代表CPU所能處理的單個(gè)任務(wù)。任一時(shí)刻，CPU總是運(yùn)行一個(gè)進(jìn)程，其他進(jìn)程處于非運(yùn)行狀態(tài)。

4.一個(gè)車(chē)間里，可以有很多工人。他們協(xié)同完成一個(gè)任務(wù)。

5.線(xiàn)程就好比車(chē)間里的工人。一個(gè)進(jìn)程可以包括多個(gè)線(xiàn)程。

6.車(chē)間的空間是工人們共享的，比如許多房間是每個(gè)工人都可以進(jìn)出的。這象征一個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存空間是共享的，每個(gè)線(xiàn)程都可以使用這些共享內(nèi)存。

7.可是，每間房間的大小不同，有些房間最多只能容納一個(gè)人，比如廁所。里面有人的時(shí)候，其他人就不能進(jìn)去了。這代表一個(gè)線(xiàn)程使用某些共享內(nèi)存時(shí)，其他線(xiàn)程必須等它結(jié)束，才能使用這一塊內(nèi)存。

8.一個(gè)防止他人進(jìn)入的簡(jiǎn)單方法，就是門(mén)口加一把鎖。先到的人鎖上門(mén)，后到的人看到上鎖，就在門(mén)口排隊(duì)，等鎖打開(kāi)再進(jìn)去。這就叫"互斥鎖"（Mutual exclusion，縮寫(xiě) Mutex），防止多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)讀寫(xiě)某一塊內(nèi)存區(qū)域。

9.還有些房間，可以同時(shí)容納n個(gè)人，比如廚房。也就是說(shuō)，如果人數(shù)大于n，多出來(lái)的人只能在外面等著。這好比某些內(nèi)存區(qū)域，只能供給固定數(shù)目的線(xiàn)程使用。

10.這時(shí)的解決方法，就是在門(mén)口掛n把鑰匙。進(jìn)去的人就取一把鑰匙，出來(lái)時(shí)再把鑰匙掛回原處。后到的人發(fā)現(xiàn)鑰匙架空了，就知道必須在門(mén)口排隊(duì)等著了。這種做法叫做"信號(hào)量"（Semaphore），用來(lái)保證多個(gè)線(xiàn)程不會(huì)互相沖突。

11.操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因此可以歸結(jié)為三點(diǎn)：
（1）以多進(jìn)程形式，允許多個(gè)任務(wù)同時(shí)運(yùn)行；
（2）以多線(xiàn)程形式，允許單個(gè)任務(wù)分成不同的部分運(yùn)行；
（3）提供協(xié)調(diào)機(jī)制，一方面防止進(jìn)程之間和線(xiàn)程之間產(chǎn)生沖突，另一方面允許進(jìn)程之間和線(xiàn)程之間共享資源。

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