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阿里面试必问之并发编程(一):线程基础

前言

借用 Java 并发编程实践中的话;编写正确的程序并不容易,而编写正常的并发程序就更难了;相比于顺序执行的情况,多线程的线程安全问题是微妙而且出乎意料的,因为在没有进行适当同步的情况下多线程中各个操作的顺序是不可预期的。

并发编程相比 Java 中其他知识点学习起来门槛相对较高,学习起来比较费劲,从而导致很多人望而却步;而无论是职场面试和高并发高流量的系统的实现却都还离不开并发编程,从而导致能够真正掌握并发编程的人才成为市场比较迫切需求的。正因如此,我们才要好好理解并发编程,这篇介绍了线程的基础,只有基础扎实了才能不断的深入学习,才能成为人才。话不多说,开始!

线程基础

1. 什么是进程和线程?

进程(process)和线程(thread)是操作系统的基本概念,但是它们比较抽象,不容易掌握。来带你理解一下:

最近,读到了一篇材料,发现有一个很好的类比,可以把它们解释地清晰易懂。

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)假定工厂的电力有限,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。

5)线程就好比车间里(努力的打工人),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。

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。

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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。

这样就很好理解了吧!!

2. CPU核心数、线程数、时间片轮转机制

CPU的核心数

是指物理上,也就是硬件上存在着几个核心。比如,双核就是包括2个相对独立的CPU核心单元组,四核就包含4个相对独立的CPU核心单元组。

线程数

是一种逻辑的概念,简单地说,就是模拟出的CPU核心数。比如,可以通过一个CPU核心数模拟出2线程的CPU,也就是说,这个单核心的CPU被模拟成了一个类似双核心CPU的功能。我们从任务管理器的性能标签页中看到的是两个CPU。 比如Inte l赛扬G460是单核心,双线程的CPU,Intel 酷睿i3 3220是双核心 四线程,Intel 酷睿i7 4770K是四核心 八线程 ,Intel 酷睿i5 4570是四核心 四线程等等。 对于一个CPU,线程数总是大于或等于核心数的。一个核心最少对应一个线程,但通过超线程技术,一个核心可以对应两个线程,也就是说它可以同时运行两个线程。

CPU的线程数概念仅仅只针对Intel的CPU才有用,因为它是通过Intel超线程技术来实现的,最早应用在Pentium4上。如果没有超线程技术,一个CPU核心对应一个线程。所以,对于AMD的CPU来说,只有核心数的概念,没有线程数的概念。

CPU之所以要增加线程数,是源于多任务处理的需要。线程数越多,越有利于同时运行多个程序,因为线程数等同于在某个瞬间CPU能同时并行处理的任务数。 因此,线程数是一种逻辑的概念,简单地说,就是模拟出的 CPU 核心数。一个核心最少对应一个线程,但英特尔有个超线程技术可以把一个物理线程模拟出两个线程来用,充分发挥 CPU 性能,即一个核心可以有两个到多个线程。

时间片轮转法(Round-Robin,RR)

主要用于分时系统中的进程调度。为了实现轮转调度,系统把所有就绪进程按先入先出的原则排成一个队列。新来的进程加到就绪队列末尾。每当执行进程调度时,进程调度程序总是选出就绪队列的队首进程,让它在CPU上运行一个时间片的时间。时间片是一个小的时间单位,通常为10~100ms数量级。当进程用完分给它的时间片后,系统的计时器发出时钟中断,调度程序便停止该进程的运行,把它放入就绪队列的末尾;然后,把CPU分给就绪队列的队首进程,同样也让它运行一个时间片,如此往复。

3. 什么是并行和并发

做并发编程之前,必须首先理解什么是并发,什么是并行,什么是并发编程,什么是并行编程。

并发编程的目标是充分的利用处理器的每一个核,以达到最高的处理性能

并发(Concurrent)

在操作系统中,是指一个时间段中有几个程序都处于已启动运行到运行完毕之间,且这几个程序都是在同一个处理机上运行。

就想前面提到的操作系统的时间片分时调度。打游戏和听音乐两件事情在同一个时间段内都是在同一台电脑上完成了从开始到结束的动作。那么,就可以说听音乐和打游戏是并发的。

并行

并行(Parallel),当系统有一个以上CPU时,当一个CPU执行一个进程时,另一个CPU可以执行另一个进程,两个进程互不抢占CPU资源,可以同时进行,这种方式我们称之为并行(Parallel)。

这里面有一个很重要的点,那就是系统要有多个CPU才会出现并行。在有多个CPU的情况下,才会出现真正意义上的『同时进行』。

并发与并行

我们两个人在吃午饭。你在吃饭的整个过程中,吃了米饭、吃了蔬菜、吃了牛肉。吃米饭、吃蔬菜、吃牛肉这三件事其实就是并发执行的。

对于你来说,整个过程中看似是同时完成的的。但其实你是在吃不同的东西之间来回切换的。

还是我们两个人吃午饭。在吃饭过程中,你吃了米饭、蔬菜、牛肉。我也吃了米饭、蔬菜和牛肉。

我们两个人之间的吃饭就是并行的。两个人之间可以在同一时间点一起吃牛肉,或者一个吃牛肉,一个吃蔬菜。之间是互不影响的。

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所以,并发是指在一段时间内宏观上多个程序同时运行。并行指的是同一个时刻,多个任务确实真的在同时运行。

并发和并行的区别

并发,指的是多个事情,在同一时间段内同时发生了。并发的多个任务之间是互相抢占资源的。

并行,指的是多个事情,在同一时间点上同时发生了。并行的多个任务之间是不互相抢占资源的。

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只有在多CPU的情况中,才会发生并行。否则,看似同时发生的事情,其实都是并发执行的。

4. 高并发编程的好处和注意事项

好处:

(1 )充分利用CPU的资源

从上面的CPU的介绍,可以看的出来,现在市面上没有CPU的内核不使用多线程并发制 的,特别是服务器还不止一个CPU,如果还是使用单线程的技术做思路,明显就out了。因为程序的基本调度单元是线程,并且一个线程也只能在一个CPU的一个核的一个线程跑,如果你是一个i3的CPU的话,最差也是双核心4线程的运算能力;如果是一个线程的程序的话,那是要浪费3/4的CPU性能;如果设计一个多线程的程序的话,那它就可以同时在多个CPU的多个核的多个线程上跑,可以充分地利用CPU,减少CPU的空闲时间,发挥它的运算能力,提高并发量。

就像我们平时坐地铁一样,很多人坐长线地铁的时候都在认真看书,而不是为了坐地铁而坐 地铁,到家了再去看书,这样你的时间就相当于有了两倍。这就是为什么有些人时间很充裕,而有些人老是说没时间的一个原因,工作也是这样,有的时候可以并发地去做几件事情,充分利用我们的时间,CPU也是一样,也要充分利用。

(2)加快响应用户的时间

比如我们经常用的迅雷下载,都喜欢多开几个线程去下载,谁都不愿意用一个线程去下载, 为什么呢?答案很简单,就是多个线程下载快啊。 我们在做程序开发的时候更应该如此,特别是我们做互联网项目,网页的响应时间若提升ls, 如果流量大的话,就能增加不少转换量。做过高性能web前端调优的都知道,要将静态资源地址用两三个子域名去加载,为什么?因为每多一个子域名,浏览器在加载你的页面的时候就会多开几个线程去加载你的页面资源,提升网站的响应速度。多线程,高并发真的是无处不在。

(3)可以使你的代码模块化,异步化,简单化

例如我们在做Android程序开发的时候,主线程的UI展示部分是一块主代码程序部分,但是UI上的按钮用相应事件的处理程序就可以做个单独的模块程序拿出来。这样既增加了异步的操作,又使程序模块化,清晰化和简单化。时下最流行的异步程序处理机制,正是多线程、并发程序最好的应用例子。 相信多线程应用开发的好处还有很多,大家在日后的代码编写过程中可以慢慢体会它的魅力所在。

问题:

(1)线程之间的安全性

从前面的章节中我们都知道,在同一个进程里面的多线程是资源共享的,也就是都可以访问 同一个内存地址当中的一个变量。例如:若每个线程中对全局变量、静态变量只有读操作,而无写操作,一般来说,这个全局变量是线程安全的:若有多个线程同时执行写操作,一般都需要考 虑线程同步,否则就可能影响线程安全。 这个我们会在后面章节中详细的说明。

(2)线程之间的死循环过程

为了解决线程之间的安全性引入了Java的锁机制,而一不小心就会产生Java线程死锁的多线程问题,因为不同的线程都在等待那些根本不可能被释放的锁,从而导致所有的工作都无法完成。假设有两个线程,分别代表两个饥饿的人,他们必须共享刀叉并轮流吃饭。他们都需要获得两个锁:共享刀和共享叉的锁。 假如线程A获得了刀,而线程B获得了叉。线程A就会进入阻塞状态来等待获得叉,而线 程B则阻塞来等待线程A所拥有的刀。这只是人为设计的例子,但尽管在运行时很难探测到,这类情况却时常发生。

(3)线程太多了会将服务器资源耗尽形成死机当机

线程数太多有可能造成系统创建大量线程而导致消耗完系统内存以及CPU的“过渡切换” 造成系统的死机,那么我们该如何解决这类问题呢? 某些系统资源是有限的,如文件描述符。多线程程序可能耗尽资源,因为每个线程都可能希 望有一个这样的资源。如果线程数相当大,或者某个资源的侯选线程数远远超过了可用的资源数,则最好使用。一个最好的示例是数据库连接池。只要线程需要使用一个数据库连接,它就从池中取出一个,使用以后再将它返回池中。资源池也称为。这里先有一个概念,后面会逐渐讲到线程池的概念。 多线程应用开发的注意事项很多,希望大家在日后的工作中可以慢慢体会它的危险所在。

下一篇我们将会讲到线程的共享和并发,敬请关注。。

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