【Java多线程系列】基本原理(2)进程VS线程

本篇属于【Java多线程系列】文章第一章【基本概念与底层原理】的第二小节内容,我们会对进程和线程这两个概念进行详细讲解。

进程

【定义】进程是系统资源分配的最小单位

在早期的单核 CPU 时代还没有线程的概念,只有进程。操作系统作为一个大的“软件”,协调着各个硬件(如CPU、内存,硬盘、网卡灯)有序的工作着。在双核 CPU 诞生以前,我们用的 Windows 操作系统依然可以一边用 word 写文档一边听着音乐,作为整个系统唯一可以完成计算任务的 CPU 是如何保证两个进程“同时进行”的呢?

时间片轮转调度!

注意这个关键字「轮转」。每个进程会被操作系统分配一个时间片,即每次被 CPU 选中来执行当前进程所用的时间。时间一到,无论进程是否运行结束,操作系统都会强制将 CPU 这个资源转到另一个进程去执行。为什么要这样做呢?

因为只有一个单核 CPU,假如没有这种轮转调度机制,那它该去处理写文档的进程还是该去处理听音乐的进程?无论执行哪个进程,另一个进程肯定是不被执行,程序自然就是无运行的状态。

如果 CPU一会儿处理 word进程一会儿处理听音乐的进程,起初看起来好像会觉得两个进程都很卡,但是CPU的执行速度已经快到让人们感觉不到这种切换的顿挫感,就真的好像两个进程在“并行运行”。

如上图所示,每一个小方格就是一个时间片,大约100ms。假设现在我同时开着 Word、QQ、网易云音乐三个软件,CPU 首先去处理 Word 进程,100ms时间一到 CPU 就会被强制切换到 QQ 进程,处理100ms后又切换到网易云音乐进程上,100ms后又去处理 Word 进程,如此往复不断地切换。

我们将其中的 Word 单独拿出来看,如果时间片足够小,那么以人类的反应速度看就好比最后一个处理过程,看上去就会有“CPU 只处理 Word 进程”的幻觉。随着芯片技术的发展,CPU 的处理速度越来越快,在保证流畅运行的情况下可以同时运行的进程越来越多。

线程

【定义】线程是CPU调度的最小单位

随着运行的进程越来越多,人们发现进程的创建、撤销与切换存在着较大的时空开销,因此业界急需一种轻型的进程技术来减少开销。于是上世纪80年代出现了一种叫 SMP(Symmetrical Multi-Processing)的对称多处理技术,就是我们所知的线程概念。

线程切换的开销要小很多,这是因为每个进程都有属于自己的一个完整虚拟地址空间,而线程隶属于某一个进程,与进程内的其他线程一起共享这片地址空间,基本上就可以利用进程所拥有的资源而无需调用新的资源,故对它的调度所付出的开销就会小很多。

以 QQ 聊天软件为例,上文我们一直都在说不同进程如何流畅的运行,此刻我们只关注一个进程的运行情况。如果没有线程技术的出现,当 QQ 这个进程被 CPU “临幸”时,我是该处理聊天呢还是处理界面刷新呢?

如果只处理聊天,那么界面就不会刷新,看起来就是界面卡死了。有了线程技术后,每次 CPU 执行100ms,其中30ms用于处理聊天,40ms用于处理传文件,剩余的30ms用于处理界面刷新,这样就可以使得各个组件可以“并行”的运行了。

于是乎我们可以提炼出两点关于多线程的适用场景:

通过使用多核 CPU 提高处理速度。

保证 GUI 界面流畅运行的同时可以执行其他计算任务。

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