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进程与线程的故事

1.1 进程的诞生

在计算机的最早期，它们就像一个听话但有点儿笨拙的仆人。每次只能执行一个指令。你告诉它要做什么，它就立刻去做，但你一旦停下思考或输入，它也只能在那里干等着。这种方式效率很低，计算机的大部分时间都在等你，而不是在干活。

后来，聪明的科学家们想到一个办法：既然计算机可以执行多个指令，那为什么不让它一次性做完一大堆事呢？于是，他们发明了批处理操作系统。这个系统允许用户将一系列指令写在磁带上，计算机一次性读取并执行，结果被写在另一个磁带上。这就像让计算机一次性干完很多活儿，然后把成果展示给你。

虽然批处理操作系统提高了效率，但它还有一个很大的缺陷：它只能一次运行一个程序。就像一个工人只能一次干一件事，如果遇到堵塞，比如等材料到位，这个工人就只能干等着，其他工作也都停下来了。因此，尽管批处理让计算机更忙碌，但还是不够高效。

进程的出现解决了这个问题。科学家们问自己：“为什么内存中只能有一个程序在运行呢？能不能同时让多个程序在内存中运行呢？”于是，他们提出了“进程”的概念。

进程是指计算机正在运行的一个程序。每个进程都有自己的内存和运行状态，它们互不干扰。现在，计算机就像一个多任务的工人，虽然在某一时刻只能专注于一个任务，但它能迅速切换任务，每个任务在一段时间内得到处理。这种快速的切换让我们觉得计算机好像在同时做很多事情，这就是并发。

对操作系统的要求进一步提高

虽然进程的引入大大提高了效率，但随着人们对计算机的要求越来越高，问题又出现了。想象一下，你在使用一个杀毒软件，它在扫描病毒的过程中突然卡住了，这时你却不能去使用软件中的其他功能，比如清理垃圾。这是因为，在那个时候，一个进程只能做一件事情。

于是，科学家们想：“能不能让一个进程同时做多件事呢？”这就引出了线程的概念。线程就像是进程中的小工人，每个线程负责一个子任务。这样，一个进程就可以同时处理多个任务，比如在杀毒软件中，一个线程负责扫描病毒，另一个线程可以同时清理垃圾。即使某个任务卡住了，其他任务仍然可以继续进行。

线程的出现，使得一个进程内部也可以并发处理多个任务，这大大提高了计算机的效率。

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为什么我们要使用多线程？

虽然多进程也能实现并发，但多线程有着不可忽视的优势。首先，线程之间的通信比进程之间的通信要简单得多，因为它们共享同一块内存。其次，线程的开销要比进程小得多，创建和管理它们需要的资源更少。

进程和线程的区别也很明显。进程是一个独立的运行环境，拥有自己的内存空间，因此各个进程之间是隔离的，彼此不会干扰。但线程却共享进程的内存空间，这让线程之间的数据共享变得容易，但同步问题却变得复杂。如果一个进程崩溃了，其他进程仍能继续运行，但如果一个线程崩溃了，可能会导致整个程序的不稳定。

此外，进程是操作系统分配资源的基本单位，而线程则是操作系统调度的基本单位。CPU的时间片是分配给线程的，而不是进程的。

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1.2 上下文切换的故事

上下文切换是另一个有趣的故事。想象一下，CPU是一个非常忙碌的秘书，它不断在不同的任务之间来回切换。每当它要去处理另一个任务时，必须先把当前任务的状态记下来，比如它在哪一步停下的、哪些数据已经处理过等。然后，它再去找到下一个任务的状态，把它恢复出来，继续处理这个新任务。

这个过程就像在多个文件之间来回切换，每次都要记住上一个文件的内容，并快速进入下一个文件的状态。这种操作虽然让计算机看起来在同时做很多事，但实际上，它消耗了大量的时间和资源。

因此，在设计多线程程序时，如何减少这种上下文切换次数，成为了一个非常重要的课题。毕竟，线程并不是越多越好，太多的线程反而可能拖慢整个系统的效率。

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Java多线程入门

在Java中，多线程编程是非常重要的技能。多线程允许程序同时执行多个任务，从而提高效率。要实现多线程，Java提供了Thread类和Runnable接口。

1. 继承Thread类

首先，我们可以通过继承Thread类来创建一个新的线程。Thread类是Java自带的一个类，它代表了一个线程。要创建一个线程，只需继承Thread类，然后重写其中的run方法。

代码示例

public class Demo {public static class MyThread extends Thread {@Overridepublic void run() {System.out.println("MyThread");}}public static void main(String[] args) {Thread myThread = new MyThread();myThread.start();}
}

• 解释：
  • 在这个示例中，我们定义了一个MyThread类，它继承了Thread类并重写了run方法。在run方法中，我们只是打印出“MyThread”。
  • 在main方法中，我们创建了一个MyThread实例，并调用了start()方法启动线程。
  • 注意：调用start()方法时，Java虚拟机会创建一个新的线程，并在合适的时间执行run方法。

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2. 实现Runnable接口

另一种创建线程的方法是实现Runnable接口。与继承Thread类不同，Runnable是一个接口，所以需要实现其中的run方法。

代码示例

public class Demo {public static class MyThread implements Runnable {@Overridepublic void run() {System.out.println("MyThread");}}public static void main(String[] args) {new Thread(new MyThread()).start();// Java 8 函数式编程，可以省略MyThread类new Thread(() -> {System.out.println("Java 8 匿名内部类");}).start();}
}

• 解释：
  • 在这个示例中，我们实现了Runnable接口，并重写了run方法。
  • 在main方法中，我们创建了一个Thread对象，并传入了MyThread的实例。
  • 同时，Java 8 引入了函数式编程，可以使用Lambda表达式简化代码。这段代码展示了如何用Lambda表达式创建并启动一个线程。

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3. Thread类的构造方法和常用方法

构造方法

• Thread(Runnable target)：这个构造方法接收一个Runnable对象，并将它作为线程的任务。
• Thread(Runnable target, String name)：与上面的构造方法类似，但它还允许我们为线程指定一个名字。

常用方法

• currentThread()：这是一个静态方法，返回当前正在执行的线程对象。
• start()：启动线程的方法，调用后会启动新线程并调用run()方法。
• yield()：当前线程放弃CPU的使用权，但是否真正让出CPU取决于操作系统的调度。
• sleep(long millis)：使当前线程休眠指定的毫秒数，暂停执行但不释放锁。
• join()：使当前线程等待另一个线程完成后再继续执行。

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4. Thread类与Runnable接口的比较

• 灵活性：由于Java支持单继承多实现，使用Runnable接口更灵活。一个类可以实现多个接口，但只能继承一个类。
• 面向对象设计：使用Runnable接口有助于将线程任务与线程本身分离，更符合面向对象设计原则。
• 耦合度低：实现Runnable接口可以降低线程对象与任务之间的耦合度。

因此，通常推荐使用Runnable接口来实现线程。

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5. Callable接口、Future接口和FutureTask类

5.1 Callable接口

Callable接口与Runnable类似，但它有一个重要的区别：Callable的call()方法有返回值，并且可以抛出异常。

代码示例

import java.util.concurrent.Callable;class Task implements Callable<Integer> {@Overridepublic Integer call() throws Exception {Thread.sleep(1000); // 模拟任务执行return 2;}public static void main(String[] args) throws Exception {Task task = new Task();Integer result = task.call();System.out.println(result); // 输出2}
}

• 解释：
  • 这里我们实现了一个简单的Callable，call()方法在执行后返回一个整数。
  • 在main方法中，我们直接调用了call()方法并输出结果。

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5.2 Future接口

Future接口通常与Callable配合使用，用于获取异步任务的执行结果。

• get()：获取任务的执行结果，这个方法是阻塞的，也就是说它会一直等待直到任务完成。
• cancel(boolean mayInterruptIfRunning)：试图取消任务的执行。

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5.3 FutureTask类

FutureTask是Runnable和Future的实现类，它既可以作为Runnable被执行，也可以作为Future获取任务的结果。

代码示例

import java.util.concurrent.FutureTask;class Task implements Callable<Integer> {@Overridepublic Integer call() throws Exception {Thread.sleep(1000); // 模拟任务执行return 2;}public static void main(String[] args) throws Exception {FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(new Task());Thread thread = new Thread(futureTask);thread.start();System.out.println(futureTask.get()); // 输出2}
}

• 解释：
  • 在这个例子中，我们将Task封装成FutureTask并传入Thread中。
  • 线程启动后，我们可以通过futureTask.get()获取执行结果。

FutureTask可以确保在高并发环境下任务只执行一次，非常适合在多线程环境下使用。

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6. 总结

在Java中，我们可以通过继承Thread类或实现Runnable接口来创建线程。虽然Thread类使用起来简单，但Runnable接口更加灵活，更符合面向对象设计原则。

当需要线程有返回值时，可以使用Callable接口，而Future接口和FutureTask类提供了获取异步任务结果的机制。

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线程组和线程优先级

3.1 线程组 (ThreadGroup)

在Java中，ThreadGroup用于表示线程组，提供对线程的批量控制。每个线程 (Thread) 必须属于一个线程组 (ThreadGroup)，不能独立于线程组存在。

Java程序的主线程属于默认的线程组“main”，如果新建线程时未显式指定线程组，默认会将当前执行线程的线程组设置为新线程的线程组。

示例代码

public class Demo {public static void main(String[] args) {Thread testThread = new Thread(() -> {System.out.println("testThread当前线程组名字：" +Thread.currentThread().getThreadGroup().getName());System.out.println("testThread线程名字：" +Thread.currentThread().getName());});testThread.start();System.out.println("执行main所在线程的线程组名字： " + Thread.currentThread().getThreadGroup().getName());System.out.println("执行main方法线程名字：" + Thread.currentThread().getName());}
}

输出结果：

执行main所在线程的线程组名字： main
执行main方法线程名字：main
testThread当前线程组名字：main
testThread线程名字：Thread-0

线程组的设计理念

ThreadGroup 和 Thread 之间是典型的向下引用的树状结构。设计这个结构的目的是为了避免“上级”线程被“下级”线程引用，从而无法被垃圾回收器 (GC) 有效回收。

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3.2 线程的优先级

Java允许为线程设置优先级，范围是1到10。然而，并不是所有操作系统都支持10级优先级划分。例如，有些操作系统仅支持3级（低、中、高）优先级划分。Java的线程优先级设置仅是给操作系统的一个参考值，操作系统可以决定线程的实际优先级。

示例代码

public class Demo {public static void main(String[] args) {Thread a = new Thread();System.out.println("我是默认线程优先级："+a.getPriority());Thread b = new Thread();b.setPriority(10);System.out.println("我是设置过的线程优先级："+b.getPriority());}
}

输出结果

我是默认线程优先级：5
我是设置过的线程优先级：10

线程优先级的实际影响

尽管可以为线程设置优先级，但Java中线程的优先级并不一定可靠，具体执行顺序由操作系统的线程调度算法决定。我们通过以下代码验证这一点：

示例代码

public class Demo {public static class T1 extends Thread {@Overridepublic void run() {super.run();System.out.println(String.format("当前执行的线程是：%s，优先级：%d",Thread.currentThread().getName(),Thread.currentThread().getPriority()));}}public static void main(String[] args) {IntStream.range(1, 10).forEach(i -> {Thread thread = new Thread(new T1());thread.setPriority(i);thread.start();});}
}

某次输出结果

当前执行的线程是：Thread-17，优先级：9
当前执行的线程是：Thread-1，优先级：1
当前执行的线程是：Thread-13，优先级：7
当前执行的线程是：Thread-11，优先级：6
当前执行的线程是：Thread-15，优先级：8
当前执行的线程是：Thread-7，优先级：4
当前执行的线程是：Thread-9，优先级：5
当前执行的线程是：Thread-3，优先级：2
当前执行的线程是：Thread-5，优先级：3

Java的线程调度策略为抢占式，即高优先级的线程通常比低优先级的线程有更大的执行机会。当线程优先级相同时，线程按“先到先得”的原则执行。每个Java程序默认都有一个主线程，即JVM启动的第一个线程 main 线程。

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守护线程 (Daemon Thread)

守护线程是优先级较低的一种线程，当所有非守护线程都结束时，守护线程也会自动结束。它通常用于执行一些后台任务。可以通过 Thread 类的 setDaemon(boolean on) 方法将某个线程设置为守护线程。

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线程组的优先级与线程优先级的关系

如果线程优先级高于其所在的线程组的最大优先级，则该线程的优先级将失效，使用线程组的最大优先级。

示例代码

public static void main(String[] args) {ThreadGroup threadGroup = new ThreadGroup("t1");threadGroup.setMaxPriority(6);Thread thread = new Thread(threadGroup,"thread");thread.setPriority(9);System.out.println("我是线程组的优先级"+threadGroup.getMaxPriority());System.out.println("我是线程的优先级"+thread.getPriority());
}

输出结果

我是线程组的优先级6  
我是线程的优先级6

3.3 线程组的常用方法及数据结构

3.3.1 线程组的常用方法

获取当前的线程组名字：

Thread.currentThread().getThreadGroup().getName();

复制线程组：

ThreadGroup threadGroup = Thread.currentThread().getThreadGroup();
Thread[] threads = new Thread[threadGroup.activeCount()];
threadGroup.enumerate(threads);

线程组统一异常处理：

public class ThreadGroupDemo {public static void main(String[] args) {ThreadGroup threadGroup1 = new ThreadGroup("group1") {public void uncaughtException(Thread t, Throwable e) {System.out.println(t.getName() + ": " + e.getMessage());}};Thread thread1 = new Thread(threadGroup1, new Runnable() {public void run() {throw new RuntimeException("测试异常");}});thread1.start();}
}

3.3.2 线程组的数据结构

线程组不仅可以包含线程，还可以包含其他线程组。以下是 ThreadGroup 源码中的部分成员变量：

public class ThreadGroup implements Thread.UncaughtExceptionHandler {private final ThreadGroup parent; // 父线程组String name; // 线程组名称int maxPriority; // 线程最大优先级boolean destroyed; // 是否被销毁boolean daemon; // 是否守护线程boolean vmAllowSuspension; // 是否可以中断int nUnstartedThreads = 0; // 未启动的线程数量int nthreads; // 线程组中的线程数量Thread threads[]; // 线程组中的线程数组int ngroups; // 子线程组数量ThreadGroup groups[]; // 子线程组数组
}

ThreadGroup 的构造函数：

// 私有构造函数
private ThreadGroup() { this.name = "system";this.maxPriority = Thread.MAX_PRIORITY;this.parent = null;
}// 默认构造函数
public ThreadGroup(String name) {this(Thread.currentThread().getThreadGroup(), name);
}// 构造函数
public ThreadGroup(ThreadGroup parent, String name) {this(checkParentAccess(parent), parent, name);
}// 私有构造函数，主要的构造函数
private ThreadGroup(Void unused, ThreadGroup parent, String name) {this.name = name;this.maxPriority = parent.maxPriority;this.daemon = parent.daemon;this.vmAllowSuspension = parent.vmAllowSuspension;this.parent = parent;parent.add(this);
}

总结来说，线程组是树状结构，每个线程组可以包含多个线程或子线程组。线程组在统一管理线程优先级和检查线程权限方面发挥作用。