终于把进程和线程学会了

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一、进程和线程的概念

人人都说进程(process)是资源分配的最小单位,线程(thread)是CPU调度的最小单位

太抽象了,不好理解,我们来形象的理解一下。

(一)形象的例子1

这是阮一峰老师的一段比较有意思的介绍:

原地址在:http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/04/processes_and_threads.html

为了防止连接失效,还是把原作者的给拿过来了:

1、计算机的核心是CPU,它承担了所有的计算任务。它就像一座工厂,时刻在运行。

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2、假定工厂的电力是有限的,一次只能供给一个车间使用。也就是说,一个车间开工的时候,其他车间都必须停工。背后的含义就是,单个CPU一次只能运行一个任务

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3、进程就好比工厂的车间,它代表CPU所能处理的单个任务。任一时刻,CPU总是运行一个进程,其他进程处于非运行状态。
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4、一个车间里,可以有很多工人。他们协同完成一个任务。

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5、线程就好比车间里的工人。一个进程可以包括多个线程。

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6、车间的空间是工人们共享的,比如许多房间是每个工人都可以进出的。这象征一个进程的内存空间是共享的,每个线程都可以使用这些共享内存。

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7、可是,每间房间的大小不同,有些房间最多只能容纳一个人,比如厕所。里面有人的时候,其他人就不能进去了。这代表一个线程使用某些共享内存时,其他线程必须等它结束,才能使用这一块内存。

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8、一个防止他人进入的简单方法,就是门口加一把锁。先到的人锁上门,后到的人看到上锁,就在门口排队,等锁打开再进去。这就叫"互斥锁"(Mutual exclusion,缩写 Mutex),防止多个线程同时读写某一块内存区域。

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9、还有些房间,可以同时容纳n个人,比如厨房。也就是说,如果人数大于n,多出来的人只能在外面等着。这好比某些内存区域,只能供给固定数目的线程使用。

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10、这时的解决方法,就是在门口挂n把钥匙。进去的人就取一把钥匙,出来时再把钥匙挂回原处。后到的人发现钥匙架空了,就知道必须在门口排队等着了。这种做法叫做"信号量"(Semaphore),用来保证多个线程不会互相冲突。

? 不难看出,mutex是semaphore的一种特殊情况(n=1时)。也就是说,完全可以用后者替代前者。但是,因为mutex较为简单,且效率高,所以在必须保证资源独占的情况下,还是采用这种设计。

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11、操作系统的设计,因此可以归结为三点:

  • (1)以多进程形式,允许多个任务同时运行;
  • (2)以多线程形式,允许单个任务分成不同的部分运行;
  • (3)提供协调机制,一方面防止进程之间和线程之间产生冲突,另一方面允许进程之间和线程之间共享资源。

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(二)形象的例子2

如果还不理解就看这个来自一位知乎的动感例子:

原文连接:https://www.zhihu.com/question/25532384

为了防止连接失效,还是把原作者的给拿过来了:

做个简单的比喻:进程=火车线程=车厢

  • 线程在进程下行进(单纯的车厢无法运行
  • 一个进程可以包含多个线程(一辆火车可以有多个车厢
  • 不同进程间数据很难共享(一辆火车上的乘客很难换到另外一辆火车,比如站点换乘
  • 同一进程下不同线程间数据很易共享(A车厢换到B车厢很容易
  • 进程要比线程消耗更多的计算机资源(采用多列火车相比多个车厢更耗资源
  • 进程间不会相互影响,一个线程挂掉将导致整个进程挂掉(一列火车不会影响到另外一列火车,但是如果一列火车上中间的一节车厢着火了,将影响到所有车厢
  • 进程可以拓展到多机,进程最多适合多核(不同火车可以开在多个轨道上,同一火车的车厢不能在行进的不同的轨道上
  • 进程使用的内存地址可以上锁,即一个线程使用某些共享内存时,其他线程必须等它结束,才能使用这一块内存。(比如火车上的洗手间)-"互斥锁"
  • 进程使用的内存地址可以限定使用量(比如火车上的餐厅,最多只允许多少人进入,如果满了需要在门口等,等有人出来了才能进去)-“信号量”

(三)形象的例子3

我们打开QQ、微信、IDEA等运行起来就是在运行一个进程。

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当你用QQ打开多个窗口与多人聊天时,这时会QQ这个进程会创建几个线程。

如上图所示,我就用QQ打开了三个窗口进行在聊天中。

(四)进程和线程的概念

进程(process)是资源分配的最小单位,线程(thread)是CPU调度的最小单位

进程(Process)是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动,是系统进行资源分配和调度的基本单位,是操作系统结构的基础。在早期面向进程设计的计算机结构中,进程是程序的基本执行实体;在当代面向线程设计的计算机结构中,进程是线程的容器。程序是指令、数据及其组织形式的描述,进程是程序的实体。

线程(thread)是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在[进程]之中,是进程中的实际运作单位。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流,一个进程中可以并发多个线程,每条线程并行执行不同的任务。在Unix System V及SunOS中也被称为轻量进程(lightweight processes),但轻量进程更多指内核线程(kernel thread),而把用户线程(user thread)称为线程。

二、进程和线程的特征

  • 动态性:进程是程序的执行;
  • 并发性:多个进程可同存于内存中,能在一段时间内同时运行;
  • 独立性:独立运行的基本单位,独立获得资源和调度的基本单位;
  • 异步性:各进程按各自独立的不可预知的速度向前推进;
  • 结构特征:由程序段 、数据段、进程控制块(PCB)三部组成。

三、进程一点通

我们要知道:进程有三种基本状态: 进程在生命消亡前处于且仅处于三种基本状态之一

不同系统设置的进程状态数目不同(但都基于三种基本状态)

(一)进程的三种基本状态

1、就绪状态(Ready):存在于处理机调度队列中的那些进程,它们已经准备就绪,一旦得到CPU,就立即可以运行。这些进程所处的状态为就绪状态。

2、运行状态(Running):正在运行的进程所处的状态为运行状态。

3、等待状态(Wait / Blocked ):若一进程正在等待某一事件发生(如等待输入输出工作完成),这时,即使给它CPU,它也无法运行,称该进程处于等待状态、阻塞、 睡眠、封锁状态。

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(二)进程的三种基本状态的转换

三种基本状态的转换如下:

就绪态–>到运行态

运行态–>到就绪态;

运行态–>到阻塞态;

阻塞态–>到就绪态

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一般了解到三状态就够了。当然了,还有五状态、七状态、九状态。这些都是在三状态的基础上扩展的,所以是三状态是最重要的。

(三)扩展:进程的五状态模型

除此之外还有2种状态,创建状态终止状态

  • 新状态(创建)与退出(僵死)状态
  • 新状态(创建状态)是指利用fork系统调用来创建于进程时,被创建的新进程所处的状态;
  • 退出状态(僵死状态)是在进程执行了exit系统调用后所处的状态,此时该进程实际上已不存在,但还留下一些信息供父进程搜集。

五状态图如下:

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(四)扩展:进程的七状态模型

进程的挂起状态:

引起挂起的原因:终端用户的请求—程序运行期间用户发现问题,希望程序暂停执行,以便研究执行情况或修改程序

父进程的请求:以便考察和修改该子进程,或者协调各子进程间的活动

负荷调节的需要:实时系统的工作负荷重时,挂起一些不重要的进程,保证系统正常运行

操作系统的需要:检查运行中资源使用情况或者进行记帐

引入挂起后的状态转换:

活动就绪—静止就绪

活动阻塞—静止阻塞

静止就绪—活动就绪

静止阻塞—活动阻塞

状态如下:

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(五)扩展:进程的九状态模型

被抢占的就绪状态:

“被抢占”状态,也称为“被剥夺状态”。当正在核心态执行的进程要从核心态返回到用户态执行时,如果此时已有一优先级更高的进程在等待处理机,则此时内核可以抢占(剥夺)已分配给正在执行进程的处理机,去调度该优先级更高的进程执行。

这时,被抢占了处理机的进程便转换为“被抢占”状态。处于“被抢占”状态的进程与处于“内存中就绪”状态的进程是等效的,它们都被排列在同一就绪队列中等待再次被调度。

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四、线程一点通

(一)有了进程为什么还要线程?

线程的引入

1、引入进程的目的是为了使多个程序并发执行,以改善资源利用率、提高系统吞吐量

2、引入线程则是为了减少程序并发执行时的所付出的时空开销

进程是一个可拥有资源的基本单位。

进程同时又是一个可独立调度和分派的基本单位。

进程作为一个资源拥有者,在创建、撤消、切换中,系统必须为之付出较大时空开销。所以系统中进程的数量不宜过多,进程切换的频率不宜过高,但这也就限制了并发程度的进一步提高。

为解决此问题,人们想到将进程的上述两个属性分开,即对作为调度和分派的基本单位,不同时作为独立分配资源的单位;对拥有资源的单位,不对之进行频繁切换。

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(二)引入线程的好处

  • 1、创建一个新线程花费时间少(结束亦如此);
  • 2、两个线程的切换花费时间少;
  • 3、因为同一进程内的线程共享内存和文件,因此它们之间相互通信无须调用内核;
  • 4、适合多处理机系统。

(三)线程的五种状态

  • 1、创建(new)状态: 准备好了一个多线程的对象,即执行了new Thread(); 创建完成后就需要为线程分配内存
  • 2、就绪(runnable)状态: 调用了start()方法, 等待CPU进行调度
  • 3、运行(running)状态: 执行run()方法
  • 4、阻塞(blocked)状态: 暂时停止执行线程,将线程挂起(sleep()、wait()、join()、没有获取到锁都会使线程阻塞), 可能将资源交给其它线程使用
  • 5、死亡(terminated)状态: 线程销毁(正常执行完毕、发生异常或者被打断interrupt()都会导致线程终止)

(四)线程的状态转换模型

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五、Java中线程的创建与运行

(一)由Thread的子类创建线程(小朋友数数字)

创建一个类作为Thread类的子类,由它通过继承Thread类重写其中的run()方法来定义线程体以实现线程的具体行为。

1、创建一个学生类:

/**
 * @Auther: truedei
 * @Date: 2020 /20-7-24 22:56
 * @Description:
 */
public class Student {

    private String name;

    public Student() {
    }

    public Student(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}

2、创建学生类的线程类:

/**
 * @Auther: truedei
 * @Date: 2020 /20-7-24 22:56
 * @Description:
 */
public class StudentThread extends Thread {

    private Student student;

    public StudentThread(Student student) {
        this.student = student;
    }

    public StudentThread() {

    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println("【"+this.student.getName()+"】在查数-->"+i);
        }
    }

}

3、创建测试类:

/**
 * @Auther: truedei
 * @Date: 2020 /20-7-24 23:02
 * @Description:
 */
public class StudentThreadTest {

    public static void main(String[] args) {

        Student xiaohong = new Student("小红");
        Student xiaoming = new Student("小明");

        StudentThread st1 = new StudentThread(xiaohong);
        StudentThread st2 = new StudentThread(xiaoming);

        st1.start();
        st2.start();
    }
}

4、结果:

从结果中可以看出小红和小明是交替着在执行的,而且每一次运行该程序都会有不同的结果

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(二)由Runnable接口实现多线程

1、创建一个StudentRunnable类实现Runnable接口

/**
 * @Auther: truedei
 * @Date: 2020 /20-7-24 23:12
 * @Description:
 */
public class StudentRunnable implements  Runnable {


    private Student student;

    public StudentRunnable(Student student) {
        this.student = student;
    }

    public StudentRunnable() {

    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println("【"+this.student.getName()+"】在查数-->"+i);
        }
    }
}

2、创建测试类:

/**
 * @Auther: truedei
 * @Date: 2020 /20-7-24 23:02
 * @Description:
 */
public class StudentRunnableTest {

    public static void main(String[] args) {

        Student xiaohong = new Student("小红");
        Student xiaoming = new Student("小明");

        StudentRunnable st1 = new StudentRunnable(xiaohong);
        StudentRunnable st2 = new StudentRunnable(xiaoming);

        Thread t1 = new Thread(st1);
        t1.start();

        Thread t2 = new Thread(st2);
        t2.start();

    }
}

执行结果都是和第一种是差不多的。

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六、进程和多线程面试题总结

(一)来源阿里巴巴(Java方向面经)

1、进程和线程的概念

答:

进程(process)是资源分配的最小单位

线程(thread)是CPU调度的最小单位

2、进程或者线程的三个状态

答:

我们要知道:进程有三种基本状态: 进程在生命消亡前处于且仅处于三种基本状态之一

不同系统设置的进程状态数目不同(但都基于三种基本状态)

(1)进程的三种基本状态

1、就绪状态(Ready):存在于处理机调度队列中的那些进程,它们已经准备就绪,一旦得到CPU,就立即可以运行。这些进程所处的状态为就绪状态。

2、运行状态(Running):正在运行的进程所处的状态为运行状态。

3、等待状态(Wait / Blocked ):若一进程正在等待某一事件发生(如等待输入输出工作完成),这时,即使给它CPU,它也无法运行,称该进程处于等待状态、阻塞、 睡眠、封锁状态。

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(2)进程的三种基本状态的转换

三种基本状态的转换如下:

就绪态–>到运行态

运行态–>到就绪态;

运行态–>到阻塞态;

阻塞态–>到就绪态

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一般了解到三状态就够了。当然了,还有五状态、七状态、九状态。这些都是在三状态的基础上扩展的,所以是三状态是最重要的。

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