进程与线程的概念

什么是进程

进程是系统运行的基本单位，通俗的理解比如计算机启动的每一个应用程序就是一个进程。如下图所示，在Windows中一个个exe文件，都是一个进程。而在JVM下，每一个启动的Main方法都可以看作一个进程。

什么是线程

线程是比进程更小的单位，所以在进行线程切换时的开销会远远小于进程，所以线程也常常被称为轻量级进程。每一个进程中都会有一个或者多个线程，在JVM中每一个Java线程都会共享他们的进程的堆区和方法区。但是每一个进程都会有自己的程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈。

Java天生就是一个多线程的程序，可以运行下面这段代码看看一段main方法中会有那些线程在运行

public class MultiThread {
    public static void main(String[] args) {
        // 获取 Java 线程管理 MXBean
        ThreadMXBean threadMXBean = ManagementFactory.getThreadMXBean();
        // 不需要获取同步的 monitor 和 synchronizer 信息，仅获取线程和线程堆栈信息
        ThreadInfo[] threadInfos = threadMXBean.dumpAllThreads(false, false);
        // 遍历线程信息，仅打印线程 ID 和线程名称信息
        for (ThreadInfo threadInfo : threadInfos) {
            System.out.println("[" + threadInfo.getThreadId() + "] " + threadInfo.getThreadName());
        }
    }
}

输出结果如下

[6] Monitor Ctrl-Break //这个线程是IDEA用来监控Ctrl-Break中断信号的线程
[5] Attach Listener //添加事件
[4] Signal Dispatcher // 方法处理Jvm信号的线程
[3] Finalizer //清除finalize 方法的线程
[2] Reference Handler // 清除引用的线程
[1] main // main入口

从JVM角度理解进程和线程的区别

图解进程和线程的关系

从图可以看出：一个进程中可以有多个线程，多个线程共享进程的堆和方法区 (JDK1.8 之后的元空间)资源，但是每个线程有自己的程序计数器、虚拟机栈 和 本地方法栈。

程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈为什么线程中是各自独立的

1. 程序计数器私有的原因: 程序计数器用于记录当前下一条要执行的指令的单元地址，JVM也一样，有了程序计数器才能保证在多线程的情况下，这个线程被挂起再被恢复时，可以根据程序计数器找到下一次要执行的指令的位置。
2. 虚拟机栈私有的原因：每一个Java线程在执行方法时，都会创建一个栈帧用于保存局部变量、常量池引用、操作数栈等信息，从方法调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在 Java 虚拟机栈中入栈和出栈的过程。
3. 本地方法栈私有的原因: 和虚拟机栈类似，只不过本地方法栈保存的native方法的信息。

多线程常见面试题

并发与并行的区别

• 并发：两个及两个以上的作业在同一 时间段 内执行。
• 并行：两个及两个以上的作业在同一 时刻 执行。

最关键的点是：是否是 同时 执行。

同步和异步的区别

• 同步：发出一个调用之后，在没有得到结果之前， 该调用就不可以返回，一直等待。
• 异步：调用在发出之后，不用等待返回结果，该调用直接返回。

为什么要使用多线程？

先从总体上来说：

• 从计算机底层来说： 线程可以比作是轻量级的进程，是程序执行的最小单位,线程间的切换和调度的成本远远小于进程。另外，多核 CPU 时代意味着多个线程可以同时运行，这减少了线程上下文切换的开销。
• 从当代互联网发展趋势来说： 现在的系统动不动就要求百万级甚至千万级的并发量，而多线程并发编程正是开发高并发系统的基础，利用好多线程机制可以大大提高系统整体的并发能力以及性能。

再深入到计算机底层来探讨：

• 单核时代：在单核时代多线程主要是为了提高单进程利用 CPU 和 IO 系统的效率。 假设只运行了一个 Java 进程的情况，当我们请求 IO 的时候，如果 Java 进程中只有一个线程，此线程被 IO 阻塞则整个进程被阻塞。CPU 和 IO 设备只有一个在运行，那么可以简单地说系统整体效率只有 50%。当使用多线程的时候，一个线程被 IO 阻塞，其他线程还可以继续使用 CPU。从而提高了 Java 进程利用系统资源的整体效率。
• 多核时代: 多核时代多线程主要是为了提高进程利用多核 CPU 的能力。举个例子：假如我们要计算一个复杂的任务，我们只用一个线程的话，不论系统有几个 CPU 核心，都只会有一个 CPU 核心被利用到。而创建多个线程，这些线程可以被映射到底层多个 CPU 上执行，在任务中的多个线程没有资源竞争的情况下，任务执行的效率会有显著性的提高，约等于（单核时执行时间/CPU 核心数）。

创建线程的方式

继承Thread

//1.创建一个继承于Thread类的子类
class MyThread extends Thread {
    //2.重写Thread类的run()
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            if (i % 2 == 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
            }
        }
    }
}


public class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) {
        //3.创建Thread类的子类的对象
        MyThread t1 = new MyThread();

        //4.通过此对象调用start():①启动当前线程 ② 调用当前线程的run()
        t1.start();
    }
}

实现Runable接口

//1.创建一个实现了Runnable接口的类
class MThread implements Runnable {

    //2.实现类去实现Runnable中的抽象方法：run()
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            if (i % 2 == 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i);
            }
        }
    }
}

public class ThreadTest1 {

    public static void main(String[] args) {
        //3.创建实现类的对象
        MThread mThread = new MThread();

        //4.将此对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread类的对象
        Thread t1 = new Thread(mThread);
        t1.setName("线程1");

        //5.通过Thread类的对象调用start():① 启动线程 ②调用当前线程的run()-->调用了Runnable类型的target的run()
        t1.start();

        //再启动一个线程，遍历100以内的偶数
        Thread t2 = new Thread(mThread);
        t2.setName("线程2");
        t2.start();
    }

}

实现Callable接口

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.FutureTask;

//1.创建一个实现Callable的实现类
class NumThread implements Callable {
    //2.实现call方法，将此线程需要执行的操作声明在call()中
    @Override
    public Object call() throws Exception {
        int sum = 0;
        //把100以内的偶数相加
        for (int i = 1; i <= 100; i++) {
            if (i % 2 == 0) {
                System.out.println(i);
                sum += i;
            }
        }
        return sum;
    }
}

public class ThreadNew {
    public static void main(String[] args) {    
        //3.创建Callable接口实现类的对象
        NumThread numThread = new NumThread();

        //4.将此Callable接口实现类的对象作为传递到FutureTask构造器中，创建FutureTask的对象
        FutureTask futureTask = new FutureTask(numThread);

        //5.将FutureTask的对象作为参数传递到Thread类的构造器中，创建Thread对象，并调用start()
        new Thread(futureTask).start();

        try {
            //6.获取Callable中call方法的返回值
            //get()返回值即为FutureTask构造器参数Callable实现类重写的call()的返回值。
            Object sum = futureTask.get();
            System.out.println("总和为：" + sum);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

线程池

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;

class NumberThread implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        //遍历100以内的偶数
        for (int i = 0; i <= 100; i++) {
            if (i % 2 == 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i);
            }
        }
    }
}

class NumberThread1 implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        //遍历100以内的奇数
        for (int i = 0; i <= 100; i++) {
            if (i % 2 != 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i);
            }
        }
    }
}


public class ThreadPool {

    public static void main(String[] args) {
        //1. 提供指定线程数量的线程池
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);

        //输出class java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor
        System.out.println(service.getClass());

        ThreadPoolExecutor service1 = (ThreadPoolExecutor) service;
        //自定义线程池的属性
//        service1.setCorePoolSize(15);
//        service1.setKeepAliveTime();

        //2. 执行指定的线程的操作。需要提供实现Runnable接口或Callable接口实现类的对象
        service.execute(new NumberThread());//适用于Runnable
        service.execute(new NumberThread1());//适用于Runnable
//        service.submit(Callable callable);//适合使用于Callable

        //3. 关闭连接池
        service.shutdown();
    }

}

使用匿名类

Thread thread = new Thread(new Runnable() {
	@Override
	public void run() {
		// 线程需要执行的任务代码
		System.out.println("子线程开始启动....");
		for (int i = 0; i < 30; i++) {
			System.out.println("run i:" + i);
		}
	}
});
thread.start();

new Thread(() -> {
	System.out.println(Thread.currentThread().getName());
}, "MyThread").start();

线程的生命周期和状态

Java 线程在运行的生命周期中的指定时刻只可能处于下面 6 种不同状态的其中一个状态：

• NEW: 初始状态，线程被创建出来但没有被调用 start() 。
• RUNNABLE: 运行状态，线程被调用了 start()等待运行的状态。
• BLOCKED：阻塞状态，需要等待锁释放。
• WAITING：等待状态，表示该线程需要等待其他线程做出一些特定动作（通知或中断）。
• TIME_WAITING：超时等待状态，可以在指定的时间后自行返回而不是像 WAITING 那样一直等待。
• TERMINATED：终止状态，表示该线程已经运行完毕。

和操作系统的线程状态的区别

如下图所示，实际上操作系统层面可将RUNNABLE分为Running以及Ready，Java设计者之所以没有区分那么细是因为现代计算机执行效率非常高，这两个状态在宏观角度几乎无法感知。现代操作系统对多线程采用时间分片的抢占式调度算法，使得每个线程得到CPU在10-20ms 处于运行状态，然后在让出CPU时间片，在不久后又会被调度执行，所以对于这种微观状态区别，Java设计者认为没有必要为了这么一瞬间进行这么多的状态划分。

• 当线程执行 wait()方法之后，线程进入 WAITING（等待） 状态。进入等待状态的线程需要依靠其他线程的通知才能够返回到运行状态。
• TIMED_WAITING(超时等待) 状态相当于在等待状态的基础上增加了超时限制，比如通过 sleep（long millis）方法或 wait（long millis）方法可以将线程置于 TIMED_WAITING 状态。当超时时间结束后，线程将会返回到 RUNNABLE 状态。
• 当线程进入 synchronized 方法/块或者调用 wait 后（被 notify）重新进入 synchronized 方法/块，但是锁被其它线程占有，这个时候线程就会进入 BLOCKED（阻塞） 状态。
• 线程在执行完了 run()方法之后将会进入到 TERMINATED（终止） 状态。

什么是线程上下文切换

线程在执行过程中会有自己的运行条件和状态（也称上下文），比如上文所说到过的程序计数器，栈信息等。当出现如下情况的时候，线程会从占用 CPU 状态中退出。

• 主动让出 CPU，比如调用了 sleep(), wait() 等。
• 时间片用完，因为操作系统要防止一个线程或者进程长时间占用 CPU 导致其他线程或者进程饿死。
• 调用了阻塞类型的系统中断，比如请求 IO，线程被阻塞。
• 被终止或结束运行

这其中前三种都会发生线程切换，线程切换意味着需要保存当前线程的上下文，留待线程下次占用 CPU 的时候恢复现场。并加载下一个将要占用 CPU 的线程上下文。这就是所谓的 上下文切换。

上下文切换是现代操作系统的基本功能，因其每次需要保存信息恢复信息，这将会占用 CPU，内存等系统资源进行处理，也就意味着效率会有一定损耗，如果频繁切换就会造成整体效率低下。

线程死锁问题

如下图所示，两个线程各自持有一把锁，必须拿到对方手中那把锁才能释放自己的锁，正是这样一种双方僵持的状态就会导致线程死锁问题。

翻译成代码就如下图所示

public class DeadLockDemo {
    public static final Object lock1 = new Object();
    public static final Object lock2 = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            synchronized (lock1){
                System.out.println("线程1获得锁1，准备获取锁2");
                try {
                    Thread.sleep(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (lock2){
                    System.out.println("线程1获得锁2");
                }
            }
        }).start();

        new Thread(() -> {
            synchronized (lock2){
                System.out.println("线程2获得锁2，准备获取锁1");
                try {
                    Thread.sleep(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (lock1){
                    System.out.println("线程2获得锁1");
                }
            }
        }).start();
    }
}

输出结果

线程1获得锁1，准备获取锁2
线程2获得锁2，准备获取锁1

符合以下4个条件的场景就会发生死锁问题:

1. 互斥条件：该资源任意一个时刻只由一个线程占用。
2. 请求与保持条件：一个线程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
3. 不剥夺条件：线程已获得的资源在未使用完之前不能被其他线程强行剥夺，只有自己使用完毕后才释放资源。
4. 循环等待条件：若干线程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。

如何预防死锁？（破坏死锁的产生的必要条件）

1. 破坏请求与保持条件：一次性申请所有的资源。
2. 破坏不剥夺条件：占用部分资源的线程进一步申请其他资源时，如果申请不到，可以主动释放它占有的资源。
3. 破坏循环等待条件：靠按序申请资源来预防。按某一顺序申请资源，释放资源则反序释放。破坏循环等待条件。

如何避免死锁？

避免死锁就是在资源分配时，借助于算法（比如银行家算法）对资源分配进行计算评估，使其进入安全状态。

安全状态 指的是系统能够按照某种线程推进顺序（P1、P2、P3……Pn）来为每个线程分配所需资源，直到满足每个线程对资源的最大需求，使每个线程都可顺利完成。称 <P1、P2、P3.....Pn> 序列为安全序列。

sleep() 方法和 wait() 方法区别

• sleep() 方法没有释放锁，而 wait() 方法释放了锁 。
• wait() 通常被用于线程间交互/通信，sleep()通常被用于暂停执行。
• wait() 方法被调用后，线程不会自动苏醒，需要别的线程调用同一个对象上的 notify()或者 notifyAll() 方法。sleep()方法执行完成后，线程会自动苏醒，或者也可以使用 wait(long timeout) 超时后线程会自动苏醒。
• sleep() 是 Thread 类的静态本地方法，wait() 则是 Object 类的本地方法。

为什么 wait() 方法不定义在 Thread 中

wait() 是让获得对象锁的线程实现等待，会自动释放当前线程占有的对象锁。每个对象（Object）都拥有对象锁，既然要释放当前线程占有的对象锁并让其进入 WAITING 状态，自然是要操作对应的对象（Object）而非当前的线程（Thread）。

可以直接调用 Thread 类的 run 方法吗

new 一个 Thread，线程进入了新建状态。调用 start()方法，会启动一个线程并使线程进入了就绪状态，当分配到时间片后就可以开始运行了。 start() 会执行线程的相应准备工作，然后自动执行 run() 方法的内容，这是真正的多线程工作。 但是，直接执行 run() 方法，会把 run() 方法当成一个 main 线程下的普通方法去执行，并不会在某个线程中执行它，所以这并不是多线程工作。

假如在进程中, 已经开辟了多个线程, 其中一个线程怎么中断其它线程?

找到线程对应线程组即可定位到线程，然后调用interrupt将其打断即可。但如果想精确定位线程，建议使用ThreadLocal对线程做个标记。

ThreadGroup threadGroup = Thread.currentThread().getThreadGroup();
if (threadGroup != null) {
    Thread[] threads = new Thread[(int) (threadGroup.activeCount() * 1.2)];
    int count = threadGroup.enumerate(threads, true);
    for (int i = 0; i < count; i++) {
        if (threads[i].getId() == threadId) {
            return threads[i];
        }
    }
}
return null;