并发编程——2.基础概念及其它相关的概述

这篇文章我们来讲一下并发编程中的线程及其相关的概述内容。

目录

1.J.U.C

2.进程、线程、协程

2.1进程

2.2线程

2.3纤程（协程）

2.4概念小结

3.并发、并行、串行

3.1并发

3.2并行

3.3串行

3.4概念小结

4.CPU核心数和线程数的关系

5.上下文切换

6.总结

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1.J.U.C

要学习并发编程，首先我们应该清楚什么是并发编程

JUC：JUC是java.util.concurrent包的缩写，包的结构如下所示，说白了就是并发场景进行多线程编程的工具类

我的总结：JUC就是在并发场景下，怎么让程序尽量通过有限的硬件，高效的处理请求，并且保证程序“线程安全”，其中涉及到的内容非常多。

学习并发编程说白了就是学怎么样使用线程，怎么在多线程的情况下保证线程安全。就这两点。

2.进程、线程、协程

下面来讲一下并发编程的前置内容：进程、线程、协程

2.1进程

什么是进程？

专业的说法：在操作系统中，进程是基本的资源分配单位，操作系统通过进程来管理计算机的资源，如CPU、内存、磁盘等。每个进程都有一个唯一的进程标识符（PID)，用于区分不同的进程。

通俗说法：可看做是正在执行的程序。如QQ.exe

解释：当我们的一个程序，没有执行的时候，它在磁盘中就是一个死的文件。当我们执行它的时候，操作系统就会为它创建一个进程，然后给其分配CPU的资源，比如内存，磁盘资源等。一个进程就会占用我们计算机的一个资源。

拓宽：我们常常会遇见CPU占用过高的情况，这个时候我们就会打开任务管理器，去看一看是哪一个进程占用过高了，如果该进程没用的话，我们就可以手动的去结束该进程，释放被占用的CPU资源了。

2.2线程

什么是线程？

底层角度：线程是操作系统中的基本执行单元(能够直接执行的最小代码块)，它是进程中的一个实体，是CPU调度和分派的基本单位。一个进程可以包含多个线程，每个线程都可以独立执行不同的任务，但它们共享进程的资源。
同一时刻，一个CPU核心只能运行一个线程，也就是CPU内核和同时运行的线程数是1:1的关系，也就是说8核CPU同时可以执行8个线程的代码。
通俗角度：通俗地说，线程可以理解为一个饭店的饭桌，每个饭桌可以点不同的菜，但是都可以共享饭店服务员、厨师，饭桌的多少决定客户的处理效率。

这张图可以很好的解释一下。

2.3纤程（协程）

底层角度:

1.纤程可以在一个线程内部创建多个纤程，这些纤程之间可以共享同一个线程的资源

2.纤程是在同一个进程内部运行的，不需要操作系统的介入，可以在用户空间（java的就是JVM）内实现协作式多任务处理。因此纤程的创建和销毁开销很小，可以更高效地利用系统资源。

通俗角度:

通俗地说，如果线程是饭店的饭桌，协程就是座椅。

注意：Java19才支持虚拟线程（纤程)或者使用第三方协程库quasar(据说这个大神已经入职oracle了，并且正是java的虚拟线程的开发者。)

2.4概念小结

1）先有进程，然后进程可以创建线程，线程是依附在进程里面的，线程里面可以包含多个协程

2）进程之间不共享全局变量，线程之间共享全局变量，但是要注意资源竞争的问题

3.并发、并行、串行

下面，我们来讲一下并发、并行和串行的概念

3.1并发

通俗：并发是多个客户在同一时间段内不约而同来到饭店，但是都想快点上菜，却只有一个厨师，厨师想了个办法，给每一桌上一个菜，然再轮流炒第2、3...个菜，达到雨露均沾，不至于后面来的客户闹情绪。
底层：在操作系统中，安装了多个程序，并发的是同一时间段内宏观上有多个程序同时运行，这在单CPU系统中，每一时刻只能有一道程序执行，即微观上这些程序是分时的交替运行，只不过是给人的感觉是同时运行，那是因为分时交替运行的时间是非常短的。

3.2并行

通俗：并行是多个客户在同一时刻一起来到饭店，没人愿意排队，好办！饭店有多个厨师
每桌安排一个厨师。
底层：在多核CPU系统中，这些同一时刻的程序可以分配到多个处理器上(CPU)，实现多任务并行执行，即利用每个处理器来处理一个可以并发执行的程序，这样多个程序便可以同时执行。目前电脑市场上说的多核CPU，便是多核处理器，核越多，并行处理的程序越多，能大大的提高电脑运行的效率。

3.3串行

通俗：串行就很好理解了，按照客户下单顺序，先到先得，厨师按菜单顺序炒菜。但是后面的客户就要等得比较久了，如果第一个客户吃的是满汉全席，后面的客户可能就不想等了。
底层：如单核CPU，同一时刻只能运行一个程序，如果存在多个程序，需要按照先后顺序执行。我打开qq后，不能再同时打开微信，只能等qq执行完成(关闭)后才能打开微信，线程的串行亦是如此，一次只能执行一个线程代码指令，其他线程需要排队等待。

3.4概念小结

并发，一般是针对线程级别的，指多个线程在点个CPU核心上交替执行。并行，可以说线程也可以说进程。指同一时刻，多个线程在多个CPU核心上执行。串行就是多个线程按顺序在单个CPU核心上执行。

综合来说：
并发Concurrent，指应用能够交替执行不同的任务；比如单CPU核心下执行多线程并非是同时执行多个任务，如果你开两个线程执行，就是在你几乎不可能察觉到的速度不断去切换这两个任务，已达到"同时执行效果"，其实并不是的，只是计算机的速度太快，我们无法察觉到而已。
并行Parallel，指应用能够同时执行不同的任务，例：吃饭的时候可以边吃饭边打电话，这两件事情可以问时执行
两者区别：一个是交替执行,一个是同时执行。

4.CPU核心数和线程数的关系

前面说过，目前主流CPU都是多核的，线程是CPU调度的最小单位。同一时刻，一个CPU核心只能运行一个线程，也就是CPU内核和同时运行的线程数是1:1的关系，也就是说8核CPU同时可以执行8个线程的代码。但Intel引入超线程技术后，产生了逻辑处理器的概念，使核心数与线程数形成1:2的关系。在我们前面的Windows任务管理器贴图就能看出来，内核数是6而逻辑处理器数是12。

在Java中提供了Runtime.getRuntime().availableProcessors()，可以让我们获取当前的CPU核心数，注意这个核心数指的是逻辑处理器数。

获得当前的CPU核心数在并发编程中很重要，并发编程下的性能优化往往和CPU核心数密切相关。

5.上下文切换

由于现在大多计算机都是多核CPU，多线程往往会比单线程更快，更能够提高并发，但提高并发并不意味着启动更多的线程来执行。更多的线程意味着线程创建销毁开销加大、上下文非常频繁，你的程序反而不能支持更高的TPS。
时间片：
多任务系统往往需要同时执行多道作业。作业数往往大于机器的CPU数，然而一颗CPU同时只能执行一项任务，如何让用户感觉这些任务正在同时进行呢？操作系统的设计者巧妙地利用了时间片轮转的方式
时间片是CPU分配给各个任务（线程）的时间！

线程上下文是指某一时间点CPU寄存器和程序计数器的内容，CPU通过时间片分配算法来循环执行任务（线程)，因为时间片非常短，所以CPU通过不停地切换线程执行。换言之，单CPU这么频繁，多核PU—定程度上可以减少上下文切换。

总结

1. (单核CPU)同一时间，cpu只能处理1个线程，只有1个线程在执行
2. 多线程同时执行：是CPU快速的在多个线程之间的切换
3. cpu调度线程的时间足够快，就造成了多线程的“同时”执行
4. 如果线程数非常多，cpu会在n个线程之间切换，消耗大量的cpu资源
5. 每个线程被调度的次数会降低，线程的执行效率降低

建议
合理设置线程数目既可以最大化利用CPU，又可以减少线程切换的开销。

• 高并发，低耗时的情况，建议少线程。
• 低并发，高耗时的情况:建议多线程。
• 高并发高耗时，要分析任务类型、增加排队、加大线程数

6.总结

这篇文章我们讲了线程，进程，协程，也讲了并发，并行，串行。介绍了JUC，上下文切换，时间片等相关概念，都是很基础很简单的内容，这是后面学习并发编程的基础，要熟练