基于操作系统讨论Java线程与进程、浅谈Go的线程与管程

说在开头： 一个进程可以包含多个线程，一个线程只能对应一个进程。一个程序至少有一个进程。进程是操作系统资源分配的基本单位，而线程是程序执行的最小单位

• 进程：指在系统中正在运行的一个应用程序；程序一旦运行就是进程；进程—资源分配的最小单位。
• 线程：系统分配处理器时间资源的基本单元，或者说进程之内独立执行的一个单元执行流。线程—程序执行的最小单位。
  进程更像是一个工作，线程则是执行进程的人

想象一下你在制作一份报告。整个报告制作的过程就是一个进程，而制作报告的不同步骤，比如收集资料、写正文、设计图表，就是线程。这些线程可以同时协调工作，从而更高效地完成整份报告。

操作系统中的进程

进程概念的产生：早期的计算机一次只能执行一个程序。这种程序完全控制系统，并访问所有系统资源。现代操作系统允许加载多个程序到内存，以便并发执行。这些需求导致了进程概念的产生，即进程为执行中的程序

• 进程是现代分时操作系统的工作单元

• 通过CPU的多路复用，所有进程可以并发执行

  • 通过在进程之间切换CPU，操作系统能使计算机更为高效

• 引入进程概念，即执行的程序，这是所有计算的基础

• 讨论进程的各类特性，包括调度、创建和终止

• 探讨通过共享内存和消息传递的进程间通信

• 讨论客户机与服务器系统间的通信

进程概念

• 在讨论操作系统时，有个问题是关于如何称呼所有CPU活动。批处理系统执行作业(job），而分时系统使用用户程序或任务( task).。即使单用户系统，用户也能同时运行多个程序（如文字处理、网页浏览等）。

• 即使用户一次只能执行一个程序，操作系统也需要支持本身的内部活动，如内存管理。所有这些活动在许多方面都相似，因此称为进程（process)

• 程序本身不是进程，程序只是被动实体。

  • 如存储在磁盘上的包含一系列指令的文件（通常称为可执行文件）。
  • 而进程是活动实体。
  • 当一个可执行文件被加载到内存时，这个程序就成为进程。

• 进程是执行中的程序实体

  • 一个文件（程序）可以，由多个进程来运行，比如一个浏览器用多个进程运行

• 进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位

  • 进程不只是程序代码
  • 进程还包括：当前活动（如程序计数器的值和寄存器的内容等，另外还可能包括推、栈、数据等）
  • 

进程的状态

进程在执行时会改变状态。进程状态，部分取决于进程的当前活动。
每个进程可能处于以下状态:

• 新的(new） :进程正在创建
• 运行( running）:指令正在执行
• 等待(waiting) :又称阻塞状态，进程等待发生某个事件（如IO完成)
• 就绪(ready） :进程等待分配处理器
• 终止( terminated） :进程已经结束

Java中的进程

Java中的进程概念与操作系统中的进程有相似之处，但也有其特有的特点。Java进程指的是运行Java应用程序的环境，由Java虚拟机（JVM）托管和执行。

Java进程的概念

• Java进程是指运行在JVM上的程序实例。当启动一个Java应用时，JVM创建一个进程来托管这个应用。
• Java进程为程序提供了必要的运行环境，包括内存分配、资源管理和垃圾回收等。
• Java进程是操作系统进程的一个实例，JVM运行在操作系统层面上的一个进程内。
  • 通常启动一个main方法就是启动了一个进程，通常一个Java程序只会启动一个进程
• 每个Java进程可以包含多个线程，共享相同的内存空间和JVM资源。

Java进程的特性

• 跨平台性：由于JVM的存在，Java进程在不同操作系统上的行为保持一致，实现了真正的跨平台运行。
• 内存管理：JVM负责Java进程的内存管理，包括堆内存和方法区的分配与管理。
• 垃圾回收：Java进程的垃圾回收由JVM自动管理，减轻了开发者的内存管理负担。
• 异常处理：Java进程内部的异常处理机制可以有效地管理运行时错误，保证程序的稳定运行。

Java进程的状态

与操作系统进程类似，Java进程也有不同的状态，但它们更多地与JVM的生命周期相关联：

• 启动：当运行Java应用时，JVM启动并创建一个新的进程。
• 执行：Java进程执行应用程序的代码，包括加载类、执行方法等。
• 等待：Java进程可能因为IO操作或者其他阻塞操作进入等待状态。
• 终止：应用程序执行完成后，Java进程终止，JVM进行清理工作并释放资源。

Java进程与操作系统进程的通信

• Java进程可以通过各种方式与操作系统进程交互，例如使用Java的Runtime和ProcessBuilder类。
• 这些类允许Java应用启动和管理操作系统级别的进程，以及与这些进程进行交互。

Java进程是JVM中的一个重要概念，它为Java应用提供了一个独立于操作系统的运行环境。JVM的存在使得Java进程具有跨平台性，并管理着进程内存和生命周期，从而简化了开发过程并增强了程序的稳定性。同时，Java进程也能与操作系统层面的进程进行交互，实现更复杂的功能。

操作系统的进程和Java进程的区别联系

操作系统进程和Java进程有着密切的关系，但它们在定义、管理方式以及运行环境方面存在一些关键区别和联系：

操作系统进程

1. 定义:

   • 操作系统进程是操作系统的基本运行单元。它是程序执行的实体，拥有独立的地址空间和资源（如文件句柄、内存等）。

2. 管理:

   • 进程由操作系统内核管理。操作系统负责进程的创建、调度、资源分配和回收。

3. 隔离性:

   • 每个操作系统进程在内存中拥有独立的地址空间，进程间互不干扰，确保了安全和稳定。

4. 通信:

   • 进程间通信（IPC）需要特定的机制，如管道、消息队列、共享内存等。

5. 平台依赖性:

   • 操作系统进程的行为和性能受到底层操作系统的影响，具有平台依赖性。

Java 进程

1. 定义:

   • Java进程指的是运行Java应用程序的实例。在Java中，每当运行一个Java程序时，Java虚拟机（JVM）在操作系统中为该程序创建一个进程。

2. 管理:

   • Java进程由JVM管理，JVM负责Java应用的运行、内存管理、垃圾回收等。

3. 隔离性:

   • 虽然Java进程在操作系统中作为一个独立的进程存在，但Java应用内部的线程共享相同的内存空间和JVM资源。

4. 通信:

   • Java进程内的线程通信相对更简单，但Java进程间的通信则需要依赖于JVM提供的机制或操作系统级的IPC机制。

5. 跨平台性:

   • 由于JVM的存在，Java进程具有跨平台性，同一Java程序可以在不同操作系统上运行而无需修改代码。

区别和联系

• 平台依赖性 vs 跨平台性:

  • 操作系统进程直接受操作系统控制，具有平台依赖性。而Java进程由JVM管理，因此具有跨平台性，不会依赖当前平台。

• 管理机制:

  • Java进程的管理是通过JVM实现的，它提供了一系列针对Java应用优化的管理策略。操作系统进程管理则是由操作系统直接控制。

• 资源隔离与共享:

  • 在操作系统中，每个进程有自己独立的资源和地址空间，而在单个Java进程内，不同的线程共享相同的资源。
    • 关于不同进程访问其他的进程的资源，也是有办法办到，只不过并不如线程共享资源那般自然和容易。
    • 在单个Java进程内部，所有线程共享相同的堆内存空间。这意味着它们可以直接访问同一个对象或变量。然而，每个线程还拥有自己的栈空间，用于存储本地变量和调用历史，这部分内存是独立的。
    • 通信机制:
      • 操作系统进程间的通信依赖于操作系统提供的IPC机制。Java进程（或其内部的线程）之间的通信可以利用JVM提供的机制或操作系统级IPC。
      • IPC（Inter-Process Communication）
        • 管道（Pipes）:管道是最基本的IPC机制，它允许一个进程的输出直接成为另一个进程的输入。传统的管道是半双工的（只能单向通信），但也有全双工的管道。
        • 消息队列（Message Queues）:消息队列允许进程发送和接收消息。这些消息存储在队列中，直到被接收进程取走。
        • 共享内存（Shared Memory）:允许多个进程访问同一块内存空间。这是一种非常高效的数据交换方式，但需要处理好进程间的同步问题。
        • 信号量（Semaphores）:用于控制对共享资源的访问。信号量可以是二进制的（锁）或者可以有多个值，用于实现复杂的同步需求。
        • 套接字（Sockets）:套接字是用于网络通信的一种方式，但也可以用于同一台机器上的进程间通信。它支持基于流（TCP）和基于数据报（UDP）的通信。
        • 远程过程调用（Remote Procedure Calls, RPC）:允许一个进程调用另一个进程的函数或方法，就像调用本地函数一样。RPC隐藏了底层的通信细节。
        • 内存映射文件（Memory-mapped files）:使用文件系统的一部分内存作为进程间通信的媒介。这种方式允许文件内容被映射到多个进程的地址空间中。

Java进程是JVM在操作系统进程基础上的一个抽象和实现。JVM为Java进程提供了一致的运行时环境，使其具有跨平台性，同时也引入了一些特有的管理和通信机制。

操作系统中的线程

每个线程是CPU使用的一个基本单元。

• 它包括线程ID、程序计数器、寄存器组和堆栈。
  • 它与同一进程的其它线程共享代码段、数据段和其它操作系统资源。
• 一个进程一般具有多个线程，那么进程能同时执行多个任务。

动机

一个进程为什么要创建多个线程?

• 1.操作系统创建多个进程比一个进程中创建多个线程的开销大
• 2.进程间通信和线程间通信更复杂
  • 都在一个程序内部，也更安全

优点

• 响应性:如果一个交互程序采用多线程，那么即使部分阻塞或执行冗余操作，它仍然可以继续执行，从而增加对用户的响应程度。
• 资源共享:进程只能通过如共享内存和消息传递之类的技术实现共享资源。而线程默认共享它们所属进程的内存和资源
• 经济:进程创建所需的内存和资源分配非常昂贵。
• 可伸缩性:对于多处理器体系结构，多线程的优点更大，因为线程可在多处理器核上并行运行。

多核编程

早期计算机是单核—>现代计算机是多核

• 多核编程提供机制，以便更有效的使用这些多个计算核和改进并发性
  

• 并行性:并行系统可以同时执行多个任务，指多核系统，多个进程同时执行的情况

• 并发性:并发系统也可以同时执行多个任务。指通过CPU上下文切换，执行多个任务的情况

• CPU调度器通过快速切换系统内的进程，以便允许每个进程取得进展，从而提供并行假想。

Java中的线程

在Java中，线程是程序执行流的最小单元。线程允许程序同时执行多个任务，使得程序能够更有效地利用系统资源和提高程序的响应能力。下面是关于Java中线程的详细分析：

定义：

线程是程序执行的一条路径，每个线程都是独立的、并发执行的。在Java中，线程是通过 java.lang.Thread 类来表示的。

特点：

• 线程是轻量级的：相比进程，线程占用的系统资源更少，创建和销毁线程的开销也比较小。
• 线程是并发执行的：一个程序中的多个线程可以并发执行，它们共享程序的内存空间。
• 线程是抢占式的：操作系统会不时地暂停当前正在执行的线程，将处理器分配给其他线程，这种方式称为抢占式调度。
• 线程是独立调度的：每个线程都有自己的执行路径，线程之间相互独立，互不影响。

创建线程的方式：

• 继承 Thread 类：创建一个类，继承 Thread，并重写 run 方法来定义线程执行的任务，然后创建该类的实例并调用 start 方法来启动线程。
• 实现 Runnable 接口：创建一个实现了 Runnable 接口的类，实现其 run 方法，并将其作为参数传递给 Thread 类的构造方法，然后启动线程。

线程生命周期：

• 新建状态（New）：当线程对象被创建时，线程处于新建状态。
• 就绪状态（Runnable）：当调用 start 方法后，线程处于就绪状态，表示线程已经准备好，等待系统调度执行。
• 运行状态（Running）：当线程获得CPU时间片时，进入运行状态，开始执行 run 方法中的任务。
• 阻塞状态（Blocked）：线程因为某些原因放弃 CPU 使用权，暂时停止运行。可能是等待某个资源，或者调用了 sleep、join 等方法。
• 终止状态（Terminated）：线程执行完了任务或者发生异常导致线程终止。

线程调度：

Java 线程调度由操作系统和 JVM 共同完成。操作系统负责分配 CPU 时间片给各个线程，而 JVM 的线程调度器负责决定哪个线程获得 CPU 时间片。

总之，线程是 Java 中实现并发编程的重要工具，能够帮助程序实现同时执行多个任务的能力。然而，线程的并发执行也带来了线程安全、死锁等问题，需要开发人员特别注意。

Java的线程和操作系统的线程的区别和联系

区别：

1. 抽象级别：Java的线程是在Java虚拟机（JVM）中实现的，属于应用程序级别的线程。而操作系统的线程是在操作系统内核中实现的，属于操作系统级别的线程。

2. 调度管理：Java的线程的调度和管理是由Java虚拟机来负责的，而操作系统的线程调度和管理是由操作系统内核来负责的。

3. 平台独立性：Java的线程可以实现跨平台的特性，因为它们是由Java虚拟机来管理的，与具体的操作系统无关。而操作系统的线程受限于所在的操作系统，不同操作系统的线程管理机制可能有所差异。

联系：

1. Java的线程最终会映射到操作系统的线程上。Java虚拟机通过调用操作系统提供的原生线程接口来创建和管理线程，从而实现Java线程的功能。

2. 操作系统提供了底层的线程支持，包括线程的创建、调度、同步、销毁等操作。Java的线程是建立在操作系统提供的线程机制之上的，操作系统的线程支持为Java线程的实现提供了基础。

总的来说，Java的线程是建立在操作系统线程之上的，它们在抽象级别、调度管理和平台独立性等方面有所区别，但又通过底层的映射和调用联系在一起，共同实现了多线程编程的功能。

Go的管程

管程（Channel）是一种用于实现并发通信和同步的机制，它可以利用线程来实现并发控制。它提供了一种安全、简单和高效的方式，让不同的 goroutine（Go语言中的轻量级线程）之间可以进行数据的传递和共享。

管程的底层实现原理是基于**通道（Channel）和锁（Mutex）**机制的结合。在Go语言中，管程由编译器和运行时系统提供支持，主要包括以下几个方面的实现原理：

1. 通道（Channel）：

   • 通道是管程的核心组件，它用于实现不同 goroutine 之间的数据传递和同步。
   • 通道内部使用了线程安全的队列数据结构，用于存储和传递数据。
   • 通过通道的发送（send）和接收（receive）操作，可以实现阻塞和非阻塞的数据传递。

2. 锁（Mutex）：

   • 锁是管程的辅助机制，用于保护共享资源的访问。
   • 在管程中，可以使用锁来控制对共享资源的并发访问，避免数据冲突和竞态条件。
   • Go语言中的锁机制通常使用 sync 包中的互斥锁（Mutex）来实现。

3. 运行时调度器：

   • Go语言的运行时系统负责协调和调度不同的 goroutine。
   • 运行时调度器会根据当前可用的 CPU 资源、goroutine 的优先级等因素，动态地分配和调度 goroutine 的执行。
   • 当一个 goroutine 在通道上进行发送或接收操作时，如果数据不可用或通道已满，运行时调度器会自动将其阻塞，并切换到其他可执行的 goroutine。

4. 信号量控制：

   • 管程的实现还可以借助信号量（Semaphore）等机制来实现更复杂的同步和通信需求。
   • 通过使用信号量，可以在管程中实现互斥、条件等高级同步操作。

综上所述，管程的底层实现原理主要基于通道和锁的机制。通道提供了安全的数据传递和同步，锁用于保护共享资源的访问。运行时调度器负责协调和调度不同的 goroutine，信号量则可以进一步扩展管程的功能。这些机制的结合使得管程能够提供安全、简洁和高效的并发编程方式。