一起养成写作习惯！这是我参与「掘金日新计划 · 4 月更文挑战」的第1天，点击查看活动详情。
1.1进程、线程
进程
程序由指令和数据组成，但这些指令要运行，数据要读写，就必须将指令加载至 CPU，数据加载至内存。在指令运行过程中还需要用到磁盘、网络等设备。进程就是用来加载指令、管理内存、管理 IO 的当一个程序被运行，从磁盘加载这个程序的代码至内存，这时就开启了一个进程。
进程就可以视为程序的一个实例。大部分程序可以同时运行多个实例进程（例如记事本、画图、浏览器等），也有的程序只能启动一个实例进程（例如网易云音乐、360 安全卫士等）
线程
一个进程之内可以分为一到多个线程。
一个线程就是一个指令流，将指令流中的一条条指令以一定的顺序交给 CPU 执行
Java 中，线程作为最小调度单位，进程作为资源分配的最小单位。 在 windows 中进程是不活动的，只是作为线程的容器
二者对比
进程基本上相互独立的，而线程存在于进程内，是进程的一个子集
进程拥有共享的资源，如内存空间等，供其内部的线程共享
进程间通信较为复杂
同一台计算机的进程通信称为 IPC（Inter-process communication）
不同计算机之间的进程通信，需要通过网络，并遵守共同的协议，例如 HTTP
线程通信相对简单，因为它们共享进程内的内存，一个例子是多个线程可以访问同一个共享变量
线程更轻量，线程上下文切换成本一般上要比进程上下文切换低
1.2 并行与并发
单核 cpu 下，线程实际还是 串行执行 的。操作系统中有一个组件叫做任务调度器，将 cpu 的时间片（windows下时间片最小约为 15 毫秒）分给不同的程序使用，只是由于 cpu 在线程间（时间片很短）的切换非常快，人类感觉是 同时运行的 。总结为一句话就是： 微观串行，宏观并行 ，
一般会将这种 线程轮流使用 CPU 的做法称为并发， concurrent
多核 cpu下，每个 核（core） 都可以调度运行线程，这时候线程可以是并行的。
引用 Rob Pike 的一段描述：
并发（concurrent）是同一时间应对（dealing with）多件事情的能力
并行（parallel）是同一时间动手做（doing）多件事情的能力
例子
家庭主妇做饭、打扫卫生、给孩子喂奶，她一个人轮流交替做这多件事，这时就是并发
家庭主妇雇了个保姆，她们一起这些事，这时既有并发，也有并行（这时会产生竞争，例如锅只有一口，一个人用锅时，另一个人就得等待）
2.3 应用
- 应用之异步调用（案例1）
以调用方角度来讲，如果
需要等待结果返回，才能继续运行就是同步
不需要等待结果返回，就能继续运行就是异步
- 设计
多线程可以让方法执行变为异步的（即不要巴巴干等着）比如说读取磁盘文件时，假设读取操作花费了 5 秒钟，如果没有线程调度机制，这 5 秒 cpu 什么都做不了，其它代码都得暂停...
10:50:09.844 c.FileReader [main] - read [·.mp4] start ...
10:50:10.753 c.FileReader [main] - read [·.mp4] end ... cost: 910 ms
10:50:10.754 c.Sync [main] - do other things ...
11:05:46.335 c.Async [main] - do other things ...
11:05:46.333 c.FileReader [Thread-0] - read [·.mp4] start ...
11:05:47.293 c.FileReader [Thread-0] - read [·.mp4] end ... cost: 968 ms
- 结论
比如在项目中，视频文件需要转换格式等操作比较费时，这时开一个新线程处理视频转换，避免阻塞主线程
tomcat 的异步 servlet 也是类似的目的，让用户线程处理耗时较长的操作，避免阻塞 tomcat 的工作线程
ui 程序中，开线程进行其他操作，避免阻塞 ui 线程
- 应用之提高效率（案例1）
充分利用多核 cpu 的优势，提高运行效率。想象下面的场景，执行 3 个计算，最后将计算结果汇总。
计算 1 花费 10 ms
计算 2 花费 11 ms
计算 3 花费 9 ms
汇总需要 31 ms
如果是串行执行，那么总共花费的时间是 10 + 11 + 9 + 1 = 31ms
但如果是四核 cpu，各个核心分别使用线程 1 执行计算 1，线程 2 执行计算 2，线程 3 执行计算 3，那么 3 个
线程是并行的，花费时间只取决于最长的那个线程运行的时间，即 11ms 最后加上汇总时间只会花费 12ms
注意
需要在多核 cpu 才能提高效率，单核仍然时是轮流执行
设计 设计案例 结论
-
单核 cpu 下，多线程不能实际提高程序运行效率，只是为了能够在不同的任务之间切换，不同线程轮流使用cpu ，不至于一个线程总占用 cpu，别的线程没法干活
-
多核 cpu 可以并行跑多个线程，但能否提高程序运行效率还是要分情况的,有些任务，经过精心设计，将任务拆分，并行执行，当然可以提高程序的运行效率。但不是所有计算任务都能拆分（参考后文的【阿姆达尔定律】）也不是所有任务都需要拆分，任务的目的如果不同，谈拆分和效率没啥意义
-
IO 操作不占用 cpu，只是我们一般拷贝文件使用的是【阻塞 IO】，这时相当于线程虽然不用 cpu，但需要一直等待 IO 结束，没能充分利用线程。所以才有后面的【非阻塞 IO】和【异步 IO】优化
设计案例 多线程提升效率
- 环境搭建
基准测试工具选择，使用了比较靠谱的 JMH，它会执行程序预热(将代码成为热点代码 即JIT及时编译器)，执行多次测试并平均
cpu 核数限制，有两种思路
-
使用虚拟机，分配合适的核
-
使用 msconfifig，分配合适的核，需要重启比较麻烦
并行计算方式的选择
-
最初想直接使用 parallel stream，后来发现它有自己的问题
-
改为了自己手动控制 thread，实现简单的并行计算
测试代码如下
maven install
java -jar -Xmx2G benchmarks.jar
运行结果可以看出有进一倍的差距
在虚拟机单核CPU 下进行测试
单核情况下多线程会存在上下文切换，消耗CPU
