1. 為什么要學習多線程？

首先相信各位小伙伴在學習 JavaSE 的時候，肯定寫過一些小游戲吧，比如猜數字，關機小程序...但是如果現在要在猜數字小游戲上面加上一個功能，設定20秒沒猜中，就判定游戲失敗，那么請問，以沒學過多線程的角度來看，你要如何增加這樣的一個計時功能呢？即一遍玩游戲，一邊計時。

上述只是方便各位理解多線程，本質多線程的意義就是能充分利用 CPU 的多核資源，解決并發編程的問題！

現在市面上買到筆記本所配的CPU，比如是八核十六線程，這里是指該 CPU 有八個物理核心，而每個物理核心上又虛擬了兩個邏輯核心(超線程技術)，對應的就是十六個線程，所以通過設備管理器會顯示出十六個核心，一個線程對應一個核心(邏輯核心)。

所以上述說到的十六個線程指CPU最多可以同時有十六個線程處理任務！

---

2. 進程的認識

2.1 進程與線程的關系

相信大家都有打開過自己電腦的任務管理器，里面可以發現運行著各種軟件，我們認為一個跑起來的程序，就是一個進程，進程與線程是包含的關系，一個進程中可以有多個線程！

其實也有很多軟件是采用多進程實現并發編程的，比如谷歌瀏覽器，每打開一個頁面就打開了一個進程，為什么可以采取多進程實現并發編程，但是還要使用多線程呢？

這里給各位小伙伴舉個例子，相信大家就很容易理解了：

如果說，籃球哥火了，最近籃球的訂單量特別大，一個工廠的生產線都已經忙不過來了，于是我的貼心助手給了我兩套解決方案：

第一套方案：

這是第一種解決方案，就是讓我再租個地，在建一個工廠，搞一套機器設備。

顯然呀，這又要去租個新的地了，又要蓋工廠，還得有一套新的物流體系，哎呀，這真的是又費錢又費力氣呀，于是我搖搖頭，這不行，換方案！其實上述這樣的方案，就類似于多進程！

第二套方案：

這是第二種解決方案，再原有的工廠內部，再開辟一條生產流水線。

此時場地和物流體系，是不是就可以復用原來場子的呀，也不用再去租場地建廠子了，共用一個場子就好了！很明顯第二種解決方案，成本上比第一種小很多！

根據上述的例子，就可以把籃球哥的工廠想象成進程，工廠里的生產流水線想象成線程！

總結：
一個進程最少包含一個線程，也可以包含多個線程，同一個進程里的多個線程之間，共用了同一份資源(主要是 內存 和 文件描述符表) 比如：在線程1 new 的對象，線程2，線程3都可以使用，在線程1打打開的文件，線程2，線程3都可以使用。

接著回答上面的問題，能使用多進程編程，為什么還要用線程？

其實上述舉的例子也能清晰說明，創建一個進程開銷是很大的！建工廠，搞生產線，弄一套物流...而創建線程只需要在原有的進程里開辟，比如只用在原來工廠多搞一套生產線即可。

銷毀進程開銷也很大呀！假如籃球哥不火了，訂單變小了，只需要一個廠生產了，另一個廠就得銷毀掉，還得拆物流，拆生產線，拆工廠，而如果是一個工廠有兩套流水線，只需要拆其中一套流水線即可。

對于CPU來說，調度進程開銷也比較大(后續講解)

有了上述的情況線程就應運而生了，線程也叫做輕量級進程，這樣的出現，在解決并發編程問題的前提下，讓創建，銷毀，調度的速度更快！

2.2 進程間如何通信？

針對進程使用的內存空間，進行了 "隔離"，即引入了虛擬地址空間，代碼里不在直接使用真實的物理地址了，而是使用虛擬的地址，由操作系統和專門的硬件負責進行虛擬地址到物理地址的轉換。主要目的是為了防止進程1內存越界，影響到線程2的運行，這里我們簡單了解，不深入討論。

雖然有了進程隔離，但還是會引入新的問題，有些時候，不同的進程之間，需要進行數據的交互，這就涉及到進程之間如何通信呢？

其實是在隔離的基礎上，開了個口子，搞一個多個進程都能訪問到的 "公共空間"，基于這個空間來進行交互數據即可，我們后續主要講述：基于文件交互，基于網絡交互。現在簡單了解下即可。

---

3. 計算機如何描述進程的？

3.1 概述

進程是一個重要的軟件資源，是由操作系統內核負責管理的。

使用了結構體(C語言的結構體)來描述了進程的屬性，對于這個描述進程屬性的結構體有一個名字，叫做 PCB(進程控制塊)，每個線程也對應一個 PCB！所以一個進程中可以有多個線程，也就是多個 PCB！

如何把這些PCB管理起來呢？用一個類似于雙向鏈表的結構，把多個 PCB 給串到一起。

創建一個進程，本質就是創建一個 PCB，給插入到鏈表中
銷毀一個進程，本質就是把鏈表上的 PCB 節點給刪除掉
通過任務管理器看到的進程列表，本質就是遍歷這個 PCB 鏈表

注意：一個進程里可以有多個線程，每個線程對應一個PCB，但是這些 PCB 并不是完全獨立的，而是有共享的部分，比如一個進程里的多個 PCB 之間，pid是一樣的(表示這個進程唯一標識)，內存指針和文件描述符表也是一樣的！

那么現在我們就要了解 PCB 包含了哪些描述進程的特征！

3.2 PCB 是如何描述進程的？

3.2.1 pid

pid 這個是進程里身份唯一的標識符，雖然一個進程里有多個線程，而這每個線程都對應一個 PCB 但是這些 PCB 的pid 都是一樣的！用來標識這些線程是屬于哪個進程的，也是這個進程的唯一標識符！

3.2.2 內存指針

內存指針，指向了該進程占用的內存是哪些，同理，雖然一個進程里包含多個線程，但是多個線程共享都是進程的資源，也就是利用了同一塊內存，所以一個進程中線程對應PCB里內存指針，也是一樣的！

3.3.3 文件描述符表

文件描述符表，表示打開的硬盤上的文件等其他資源，比如打開一個 .txt 文件，也就會對應在文件描述符表上新增一個表項(類似于數組的結構)，后續學到的網絡編程，也會被當成文件，也會在文件描述符表上申請表項，跟詳細內容在文件 IO 章節講解。

3.3.4 進程調度相關屬性（下述屬性每個線程都有自己的）

線程的狀態：

就緒狀態：隨叫隨到，線程隨時準備去 CPU 上執行

運行狀態：正在 CPU 上執行的，很多操作系統，不會明確區分就緒和運行狀態

阻塞狀態：短時間內無法到CPU上運行了(后續文章會詳細講解)

優先級：

先讓哪個線程在 CPU 上運行，后讓哪個線程在 CPU 上運行，這也是有一定的優先級的，操作系統進線程調度的時候并不是很公平的。

上下文：

操作系統在進行線程謝歡的時候，就需要把進程執行的"中間狀態"記錄下來，保存好，下次這個線程再到 CPU 上去運行的時候，就可以恢復上次的狀態，繼續往下執行，本質上可以理解為 "存檔和讀檔"，就是 CPU 中各個寄存器的值，保存上下文，就是把這些 CPU 寄存器的值記錄保存到內存中(PCB)，回復上下文，就是把內存中這些寄存器的值恢復回去。

記賬信息：

操作系統，統計每個線程在 CPU 上占用的時間和執行的指令數目，根據這個來決定下一階段如何調度。

3.3.5 總結

PCB 這里包含的屬性是非常多的，不止我們上面所說的 pid，內存指針，文件描述符表，調度相關屬性，還有其他內容，上述內容只是一些核心的屬性，對于我們程序猿來說，了解以上屬性已經是差不多了。

但是從調度相關屬性開始，就有些小伙伴看不明白了，什么是調度？

4. 線程的調度

如何理解調度？從字面理解，你的領導將把你從北京公司調度到上海分公司去，而在 CPU 中，調度就是把一個線程拿到 CPU 核心上執行任務！

進程是 CPU 資源分配的最小單位，而線程是 CPU 調度的最小單位！

要了解線程的調度，首先要知道兩個概念，并行和并發：

并行：簡單來說，兩個線程在 CPU 的兩個核心上運行

并發：簡單來說，兩個線程在一個 CPU 核心上運行，對兩個線程進行快速切換

并行好理解，并發可能就不太好理解了！

舉個例子，張三喜歡打游戲，突然女朋友給打電話了，此時張三的腦子里就有兩個信號，第一個處理游戲，第二個處理女朋友的電話，可是既不能放下游戲，也不能掛掉女朋友電話呀，于是張三就一邊打游戲，一邊接電話，只要張三腦子在游戲電話這兩個任務中切換的夠快，不錯過游戲的內容，也不錯過女朋友的電話內容，此時就能做到無縫銜接！

放在 CPU 中，先運行一下QQ音樂，再運行一下再運行下畫圖板，再運行一下QQ音樂，再運行畫圖板，只要切換的速度足夠快(3.2GHz，每秒約運行32億條指令)，從我們的角度看是感知不到了，看起來好像是這幾個線程再同時運行。

有了上面的理解，因此往往把并行和并發統稱為并發，除非顯式聲明，否則后續我們說到的并發都是 并行+并發

問題來了，CPU 的核心數有限，如果一個核心上并發運行多個線程，雖然我們知道是進行快速的切換，但是他們是隨機切換的！也就是 CPU 是隨機調度的，線程是搶占式執行的！這一點后續內容會用代碼給大家驗證！此處大家了解即可。

---

5. 線程的缺點

前面我們談到，一個進程中可以有多個線程，就如同我們上述舉的工廠的例子有兩條生產線，現在假設要生產 100 個籃球，一條生產線生產一個籃球需要花 2 個小時，那么 100 個籃球就需要花 200 個小時，如果是兩條生產線，大概只需要花 100 個小時左右，那是不是生產線越多就越好呢？工廠能不能放下那么多生產線呢？

到這里問題來了，進程中的線程是不是也是越多越好呢？這里通過一個形象的例子來演示：

滑稽老鐵今天過生日，喊了自己的一個好哥們一起吃蛋糕：

注意：上述情況房子就像進程，里面有多個線程，共享這個蛋糕的資源，兩個人吃蛋糕可能綽綽有余，速度也不快不慢，但是我們往后看：

這時候另一個滑稽老鐵說，就咱們倆個人啊，一點氣氛都沒有，蛋糕那么大，吃都吃不完！能不能多喊幾個人來啊？這樣才不會浪費蛋糕呀！而且要是能把俺暗戀的對象也喊來該多好！

于是滑稽老鐵說，你想要氣氛對吧，那俺就把咱的好兄弟都喊過來！

此時滑稽越多，是不是吃蛋糕的速度就越快呢？并不是，桌子旁邊的位置是有限的，就好比 CPU 的核心數也是有限的，如果滑稽老鐵太多了(線程)，就會導致正在吃蛋糕的老鐵沒辦法安心吃，一般一張桌子只能坐 12 個人，難不成一個人吃一口就換另一個人上來吃嗎？這樣的開銷反而浪費在了 "換人吃蛋糕" 這個時間上，就好比如開銷浪費在線程調度上了。

此時還有一個問題，一個滑稽老鐵吃了一口下來了，空的這個座位有兩個滑稽都想坐上去，可能就會打起來，誰也讓著誰，會引發線程安全問題，也就是線程不安全！

更有一個特殊的情況，兩個滑稽老鐵爭蛋糕上僅一份的巧克力，滑稽1把巧克力給搶走了！滑稽2搶不到巧克力就生氣！拿起蛋糕往滑稽1臉上拍。

也就是如果一個線程拋異常處理的不好，很有可能把整個進程給帶走了，其他老鐵都吃不成蛋糕了，其他線程也就掛了！

總結：
線程模型，天然就是資源共享的，多個線程爭搶同一個資源，容易有線程安全問題。
進程模型，天然是資源隔離的，很少有線程安全問題，進程之間通信，如果多個進程訪問公共資源，才可能會出現線程安全問題。

本期只是簡單帶大家認識下多線程和進程，更多的是理論概念，后續博主則會根據代碼實例，來進一步帶大家走進多線程編程！

---

下期預告【多線程】Thread類

總結

以上是生活随笔為你收集整理的【多线程】初识多线程的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。