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Java多线程基础:进程和线程之由来

技术杂谈 勤劳的小蚂蚁 3个月前 (01-20) 85次浏览 已收录 0个评论 扫描二维码

下面是本文的目录大纲:
  1. 操作系统中为什么会出现进程?
  2. 为什么会出现线程?
  3. 多线程并发
若有不正之处,请多多谅解并欢迎指正。

一.操作系统中为什么会出现进程?

说起进程的由来,我们需要从操作系统的发展历史谈起。
也许在今天,我们无法想象在很多年以前计算机是什么样子。我们现在可以用计算机来做很多事情:办公、娱乐、上网,但是在计算机刚出现的时候,是为了解决数学计算的问题,因为很多大量的计算通过人力去完成是很耗时间和人力成本的。
在最初的时候,计算机只能接受一些特定的指令,用户输入一个指令,计算机就做一个操作。当用户在思考或者输入数据时,计算机就在等待。显然这样效率和很低下,因为很多时候,计算机处于等待用户输入的状态。
那么能不能把一系列需要操作的指令预先写下来,形成一个清单,然后一次性交给计算机,计算机不断地去读取指令来进行相应的操作?就这样,批处理操作系统诞生了。用户可以将需要执行的多个程序写在磁带上,然后交由计算机去读取并逐个地执行这些程序,并将输出结果写到另一个磁带上。
虽然批处理操作系统的诞生极大地提高了任务处理的便捷性,但是仍然存在一个很大的问题:
假如有两个任务A和B,任务A在执行到一半的过程中,需要读取大量的数据输入(I/O操作),而此时CPU只能静静地等待任务A读取完数据才能继续执行,这样就白白浪费了CPU资源。人们于是想,能否在任务A读取数据的过程中,让任务B去执行,当任务A读取完数据之后,让任务B暂停,然后让任务A继续执行?
但是这样就有一个问题,原来每次都是一个程序在计算机里面运行,也就说内存中始终只有一个程序的运行数据。而如果想要任务A执行I/O操作的时候,让任务B去执行,必然内存中要装入多个程序,那么如何处理呢?多个程序使用的数据如何进行辨别呢?并且当一个程序运行暂停后,后面如何恢复到它之前执行的状态呢?
这个时候人们就发明了进程,用进程来对应一个程序,每个进程对应一定的内存地址空间,并且只能使用它自己的内存空间,各个进程间互不干扰。并且进程保存了程序每个时刻的运行状态,这样就为进程切换提供了可能。当进程暂时时,它会保存当前进程的状态(比如进程标识、进程的使用的资源等),在下一次重新切换回来时,便根据之前保存的状态进行恢复,然后继续执行。
这就是并发,能够让操作系统从宏观上看起来同一个时间段有多个任务在执行。换句话说,进程让操作系统的并发成为了可能。
注意,虽然并发从宏观上看有多个任务在执行,但是事实上,任一个具体的时刻,只有一个任务在占用CPU资源(当然是对于单核CPU来说的)。

二.为什么会出现线程?

在出现了进程之后,操作系统的性能得到了大大的提升。虽然进程的出现解决了操作系统的并发问题,但是人们仍然不满足,人们逐渐对实时性有了要求。因为一个进程在一个时间段内只能做一件事情,如果一个进程有多个子任务,只能逐个地去执行这些子任务。
比如对于一个监控系统来说,它不仅要把图像数据显示在画面上,还要与服务端进行通信获取图像数据,还要处理人们的交互操作。如果某一个时刻该系统正在与服务器通信获取图像数据,而用户又在监控系统上点击了某个按钮,那么该系统就要等待获取完图像数据之后才能处理用户的操作,如果获取图像数据需要耗费10s,那么用户就只有一直在等待。显然,对于这样的系统,人们是无法满足的。
那么可不可以将这些子任务分开执行呢?即在系统获取图像数据的同时,如果用户点击了某个按钮,则会暂停获取图像数据,而先去响应用户的操作(因为用户的操作往往执行时间很短),在处理完用户操作之后,再继续获取图像数据。
人们就发明了线程,让一个线程去执行一个子任务,这样一个进程就包括了多个线程,每个线程负责一个独立的子任务,这样在用户点击按钮的时候,就可以暂停获取图像数据的线程,让UI线程响应用户的操作,响应完之后再切换回来,让获取图像的线程得到CPU资源。从而让用户感觉系统是同时在做多件事情的,满足了用户对实时性的要求。
换句话说,进程让操作系统的并发性成为可能,而线程让进程的内部并发成为可能。
但是要注意,一个进程虽然包括多个线程,但是这些线程是共同享有进程占有的资源和地址空间的。进程是操作系统进行资源分配的基本单位,而线程是操作系统进行调度的基本单位。

三.多线程并发

由于多个线程是共同占有所属进程的资源和地址空间的,那么就会存在一个问题:
如果多个线程要同时访问某个资源,怎么处理?
这个问题就是后序文章中要重点讲述的同步问题。
那么可能有朋友会问,现在很多时候都采用多线程编程,那么是不是多线程的性能一定就由于单线程呢?
不一定,要看具体的任务以及计算机的配置。比如说:
对于单核CPU,如果是CPU密集型任务,如解压文件,多线程的性能反而不如单线程性能,因为解压文件需要一直占用CPU资源,如果采用多线程,线程切换导致的开销反而会让性能下降。
但是对于比如交互类型的任务,肯定是需要使用多线程的、
而对于多核CPU,对于解压文件来说,多线程肯定优于单线程,因为多个线程能够更加充分利用每个核的资源。
虽然多线程能够提升程序性能,但是相对于单线程来说,它的编程要复杂地多,要考虑线程安全问题。因此,在实际编程过程中,要根据实际情况具体选择。
关于进程和线程的由来,暂时就讲这么多了,感兴趣的朋友可以参考相关资料。


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