Java并发编程—什么是线程？
原文作者：way_more
原文地址：Java 多線程常見基礎面試題總結，面試必看！
目錄
一、什么是線程和進程?
二、簡要描述線程與進程的關系
三、FAQ
一、什么是線程和進程?
1.1. 何為進程?
進程是程序的一次執行過程，是系統運行程序的基本單位，因此進程是動態的。系統運行一個程序即是一個進程從創建，運行到消亡的過程。在 Java 中，當我們啟動 main 函數時其實就是啟動了一個 JVM 的進程，而 main 函數所在的線程就是這個進程中的一個線程，也稱主線程。如下圖所示，在 windows 中通過查看任務管理器的方式，我們就可以清楚看到 window 當前運行的進程（.exe 文件的運行）。
1.2. 何為線程?
線程與進程相似，但線程是一個比進程更小的執行單位。一個進程在其執行的過程中可以產生多個線程。與進程不同的是同類的多個線程共享進程的堆和方法區資源，但每個線程有自己的程序計數器、虛擬機棧和本地方法棧，所以系統在產生一個線程，或是在各個線程之間作切換工作時，負擔要比進程小得多，也正因為如此，線程也被稱為輕量級進程。Java 程序天生就是多線程程序，我們可以通過 JMX 來看一下一個普通的 Java 程序有哪些線程，代碼如下。
二、簡要描述線程與進程的關系
下面從 JVM 角度說進程和線程之間的關系
2.1. 圖解進程和線程的關系
下圖是 Java 內存區域，通過下圖我們從 JVM 的角度來說一下線程和進程之間的關系。
從上圖可以看出：一個進程中可以有多個線程，多個線程共享進程的堆和方法區 (JDK1.8 之后的元空間)資源，但是每個線程有自己的程序計數器、虛擬機棧 和 本地方法棧。總結： 線程 是 進程 劃分成的更小的運行單位。線程和進程最大的不同在于基本上各進程是獨立的，而各線程則不一定，因為同一進程中的線程極有可能會相互影響。線程執行開銷小，但不利于資源的管理和保護；而進程正相反
下面是該知識點的擴展內容！下面來思考這樣一個問題：為什么程序計數器、虛擬機棧和本地方法棧是線程私有的呢？為什么堆和方法區是線程共享的呢？關于這塊知識推薦閱讀JVM—內存模型JMM
疑問：同一個進程的不同線程可以在多個CPU上運行么？
答案是不能！！！
- 因為進程是cpu的調度單位，即使OS將一個進程調度到另外一個CPU上，那這屬于這個進程的所有線程也會被調度到另外一個cpu上，所以一個進程的多個線程不能同時運行于多個cpu之上。
- 假如線程可以與進程不在同一個cpu上，線程如何獲取到JVM中的共享內存的數據？
2.2. 程序計數器為什么是私有的?
程序計數器主要有下面兩個作用：字節碼解釋器通過改變程序計數器來依次讀取指令，從而實現代碼的流程控制，如：順序執行、選擇、循環、異常處理。在多線程的情況下，程序計數器用于記錄當前線程執行的位置，從而當線程被切換回來的時候能夠知道該線程上次運行到哪兒了。
需要注意的是，如果執行的是 native 方法，那么程序計數器記錄的是 undefined 地址，只有執行的是 Java 代碼時程序計數器記錄的才是下一條指令的地址。所以，程序計數器私有主要是為了線程切換后能恢復到正確的執行位置。
2.3. 虛擬機棧和本地方法棧為什么是私有的?
虛擬機棧： 每個 Java 方法在執行的同時會創建一個棧幀用于存儲局部變量表、操作數棧、常量池引用等信息。從方法調用直至執行完成的過程，就對應著一個棧幀在 Java 虛擬機棧中入棧和出棧的過程。
本地方法棧： 和虛擬機棧所發揮的作用非常相似，區別是： 虛擬機棧為虛擬機執行 Java 方法 （也就是字節碼）服務，而本地方法棧則為虛擬機使用到的 Native 方法服務。 在 HotSpot 虛擬機中和 Java 虛擬機棧合二為一。
所以，為了保證線程中的局部變量不被別的線程訪問到，虛擬機棧和本地方法棧是線程私有的。
2.4. 一句話簡單了解堆和方法區
堆和方法區是所有線程共享的資源，其中堆是進程中最大的一塊內存，主要用于存放新創建的對象 (幾乎所有對象都在這里分配內存)，方法區主要用于存放已被加載的類信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯后的代碼等數據。
三、線程的狀態
在正式學習Java Thread類中的具體方法之前，我們先來了解一下線程有哪些狀態，這個將會有助于后面對Thread類中的方法的理解。線程從創建到最終的消亡，要經歷若干個狀態。一般來說，線程包括以下這幾個狀態：創建(new)、就緒(runnable)、運行(running)、阻塞(blocked)、time waiting、waiting、消亡（dead）。
- 當需要新起一個線程來執行某個子任務時，就創建了一個線程。但是線程創建之后，不會立即進入就緒狀態，因為線程的運行需要一些條件（比如內存資源，譬如程序計數器、Java棧、本地方法棧都是線程私有的，所以需要為線程分配一定的內存空間），只有線程運行需要的所有條件滿足了，才進入就緒狀態。
- 當線程進入就緒狀態后，不代表立刻就能獲取CPU執行時間，也許此時CPU正在執行其他的事情，因此它要等待。當得到CPU執行時間之后，線程便真正進入運行狀態。
- 線程在運行狀態過程中，可能有多個原因導致當前線程不繼續運行下去，比如用戶主動讓線程睡眠（睡眠一定的時間之后再重新執行）、用戶主動讓線程等待，或者被同步塊給阻塞，此時就對應著多個狀態：time waiting（睡眠或等待一定的事件）、waiting（等待被喚醒）、blocked（阻塞）。
- 當由于突然中斷或者子任務執行完畢，線程就會被消亡。
下面這副圖描述了線程從創建到消亡之間的狀態：
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在有些教程上將blocked、waiting、time waiting統稱為阻塞狀態，這個也是可以的，只不過這里我想將線程的狀態和Java中的方法調用聯系起來，所以將waiting和time waiting兩個狀態分離出來。
四、上下文切換
對于單核CPU來說（對于多核CPU，此處就理解為一個核），CPU在一個時刻只能運行一個線程，當在運行一個線程的過程中轉去運行另外一個線程，這個叫做線程上下文切換（對于進程也是類似）。由于可能當前線程的任務并沒有執行完畢，所以在切換時需要保存線程的運行狀態，以便下次重新切換回來時能夠繼續切換之前的狀態運行。舉個簡單的例子：比如一個線程A正在讀取一個文件的內容，正讀到文件的一半，此時需要暫停線程A，轉去執行線程B，當再次切換回來執行線程A的時候，我們不希望線程A又從文件的開頭來讀取。因此需要記錄線程A的運行狀態，那么會記錄哪些數據呢？因為下次恢復時需要知道在這之前當前線程已經執行到哪條指令了，所以需要記錄程序計數器的值，另外比如說線程正在進行某個計算的時候被掛起了，那么下次繼續執行的時候需要知道之前掛起時變量的值時多少，因此需要記錄CPU寄存器的狀態。所以一般來說，線程上下文切換過程中會記錄程序計數器、CPU寄存器狀態等數據。
說簡單點的：對于線程的上下文切換實際上就是 存儲和恢復CPU狀態的過程，它使得線程執行能夠從中斷點恢復執行。雖然多線程可以使得任務執行的效率得到提升，但是由于在線程切換時同樣會帶來一定的開銷代價，并且多個線程會導致系統資源占用的增加，所以在進行多線程編程時要注意這些因素。
五、FAQ
1、說說并發與并行的區別?
并發： 同一時間段，多個任務都在執行 (單位時間內不一定同時執行)；
并行： 單位時間內，多個任務同時執行。
通俗解釋：多核cpu同時執行多個線程這個就是并行的，單個cpu一段時間內執行多個線程就是并發
2、為什么要使用多線程呢?
先從總體上來說：從計算機底層來說： 線程可以比作是輕量級的進程，是程序執行的最小單位,線程間的切換和調度的成本遠遠小于進程。另外，多核 CPU 時代意味著多個線程可以同時運行，這減少了線程上下文切換的開銷。從當代互聯網發展趨勢來說： 現在的系統動不動就要求百萬級甚至千萬級的并發量，而多線程并發編程正是開發高并發系統的基礎，利用好多線程機制可以大大提高系統整體的并發能力以及性能。再深入到計算機底層來探討：
單核時代： 在單核時代多線程主要是為了提高 CPU 和 IO 設備的綜合利用率。舉個例子：當只有一個線程的時候會導致 CPU 計算時，IO 設備空閑；進行 IO 操作時，CPU 空閑。我們可以簡單地說這兩者的利用率目前都是 50%左右。但是當有兩個線程的時候就不一樣了，當一個線程執行 CPU 計算時，另外一個線程可以進行 IO 操作，這樣兩個的利用率就可以在理想情況下達到 100%了。
多核時代: 多核時代多線程主要是為了提高 CPU 利用率。舉個例子：假如我們要計算一個復雜的任務，我們只用一個線程的話，CPU 只會一個 CPU 核心被利用到，而創建多個線程就可以讓多個 CPU 核心被利用到，這樣就提高了 CPU 的利用率。
簡單解釋：提高CPU在線程進行IO運算時的利用率
3、使用多線程可能帶來什么問題?
內存泄漏、死鎖、線程不安全等等。
4、說說線程的生命周期和狀態?
Java 線程在運行的生命周期中的指定時刻只可能處于下面 6 種不同狀態的其中一個狀態：初始狀態、運行狀態、suzerainty狀態（可能是Blocked、Waiting、Time_Wating三種狀態）。線程在生命周期中并不是固定處于某一個狀態而是隨著代碼的執行在不同狀態之間切換。Java 線程狀態變遷如下圖所示（圖源《Java 并發編程藝術》4.1.4 節）：
由上圖可以看出：線程創建之后它將處于 NEW（新建） 狀態，調用 start() 方法后開始運行，線程這時候處于 READY（可運行） 狀態。可運行狀態的線程獲得了 CPU 時間片（timeslice）后就處于 RUNNING（運行） 狀態。操作系統隱藏 Java 虛擬機（JVM）中的 RUNNABLE 和 RUNNING 狀態，它只能看到 RUNNABLE 狀態（圖源：HowToDoInJava：Java Thread Life Cycle and Thread States），所以 Java 系統一般將這兩個狀態統稱為 RUNNABLE（運行中） 狀態 。
當線程執行 wait()方法之后，線程進入 WAITING（等待） 狀態。進入等待狀態的線程需要依靠其他線程的通知才能夠返回到運行狀態，而 TIME_WAITING(超時等待) 狀態相當于在等待狀態的基礎上增加了超時限制，比如通過 sleep（long millis）方法或 wait（long millis）方法可以將 Java 線程置于 TIMED WAITING 狀態。當超時時間到達后 Java 線程將會返回到 RUNNABLE 狀態。當線程調用同步方法時，在沒有獲取到鎖的情況下，線程將會進入到 BLOCKED（阻塞） 狀態。線程在執行 Runnable 的run()方法之后將會進入到 TERMINATED（終止） 狀態。
5、什么是上下文切換?
多線程編程中一般線程的個數都大于 CPU 核心的個數，而一個 CPU 核心在任意時刻只能被一個線程使用，為了讓這些線程都能得到有效執行，CPU 采取的策略是為每個線程分配時間片并輪轉的形式。當一個線程的時間片用完的時候就會重新處于就緒狀態讓給其他線程使用，這個過程就屬于一次上下文切換。概括來說就是：當前任務在執行完 CPU 時間片切換到另一個任務之前會先保存自己的狀態，以便下次再切換回這個任務時，可以再加載這個任務的狀態。任務從保存到再加載的過程就是一次上下文切換。
上下文切換通常是計算密集型的。也就是說，它需要相當可觀的處理器時間，在每秒幾十上百次的切換中，每次切換都需要納秒量級的時間。所以，上下文切換對系統來說意味著消耗大量的 CPU 時間，事實上，可能是操作系統中時間消耗最大的操作。Linux 相比與其他操作系統（包括其他類 Unix 系統）有很多的優點，其中有一項就是，其上下文切換和模式切換的時間消耗非常少。
6、什么是線程死鎖?如何避免死鎖?
線程互相等待資源，導致死鎖。如下圖所示，線程 A 持有資源 2，線程 B 持有資源 1，他們同時都想申請對方的資源，所以這兩個線程就會互相等待而進入死鎖狀態。
下面通過一個例子來說明線程死鎖,代碼模擬了上圖的死鎖的情況 (代碼來源于《并發編程之美》)：
public class DeadLockDemo {private static Object resource1 = new Object();//資源 1private static Object resource2 = new Object();//資源 2public static void main(String[] args) {new Thread(() -> {synchronized (resource1) {System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1");try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource2");synchronized (resource2) {System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2");}}}, "線程 1").start();new Thread(() -> {synchronized (resource2) {System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2");try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource1");synchronized (resource1) {System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1");}}}, "線程 2").start();} }Output Thread[線程 1,5,main]get resource1 Thread[線程 2,5,main]get resource2 Thread[線程 1,5,main]waiting get resource2 Thread[線程 2,5,main]waiting get resource1線程 A 通過 synchronized (resource1) 獲得 resource1 的監視器鎖，然后通過Thread.sleep(1000);讓線程 A 休眠 1s 為的是讓線程 B 得到執行然后獲取到 resource2 的監視器鎖。線程 A 和線程 B 休眠結束了都開始企圖請求獲取對方的資源，然后這兩個線程就會陷入互相等待的狀態，這也就產生了死鎖。上面的例子符合產生死鎖的四個必要條件。學過操作系統的朋友都知道產生死鎖必須具備以下四個條件：
- 1、互斥條件：該資源任意一個時刻只由一個線程占用。
- 2、請求與保持條件：一個進程因請求資源而阻塞時，對已獲得的資源保持不放。
- 3、不剝奪條件:線程已獲得的資源在末使用完之前不能被其他線程強行剝奪，只有自己使用完畢后才釋放資源。
- 4、循環等待條件:若干進程之間形成一種頭尾相接的循環等待資源關系。
如何避免線程死鎖?
我上面說了產生死鎖的四個必要條件，為了避免死鎖，我們只要破壞產生死鎖的四個條件中的其中一個就可以了。現在我們來挨個分析一下：
- 1、破壞互斥條件 ：這個條件我們沒有辦法破壞，因為我們用鎖本來就是想讓他們互斥的（臨界資源需要互斥訪問）。
- 2、破壞請求與保持條件 ：一次性申請所有的資源。
- 3、破壞不剝奪條件 ：占用部分資源的線程進一步申請其他資源時，如果申請不到，可以主動釋放它占有的資源。
- 4、破壞循環等待條件 ：靠按序申請資源來預防。按某一順序申請資源，釋放資源則反序釋放。破壞循環等待條件。
我們對線程 2 的代碼修改成下面這樣就不會產生死鎖了。按順序獲取資源，破壞了死鎖的第四條件
new Thread(() -> {synchronized (resource1) {System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1");try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource2");synchronized (resource2) {System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2");}}}, "線程 2").start(); OutputThread[線程 1,5,main]get resource1 Thread[線程 1,5,main]waiting get resource2 Thread[線程 1,5,main]get resource2 Thread[線程 2,5,main]get resource1 Thread[線程 2,5,main]waiting get resource2 Thread[線程 2,5,main]get resource2我們分析一下上面的代碼為什么避免了死鎖的發生?線程 1 首先獲得到 resource1 的監視器鎖,這時候線程 2 就獲取不到了。然后線程 1 再去獲取 resource2 的監視器鎖，可以獲取到。然后線程 1 釋放了對 resource1、resource2 的監視器鎖的占用，線程 2 獲取到就可以執行了。這樣就破壞了破壞循環等待條件，因此避免了死鎖。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的Java并发编程—什么是线程？的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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