程序員大家都在用的并發(fā)到底是個什么

程序員大家都在用的并發(fā)到底是個什么？資料僅供參考寫在前面并發(fā)與操作系統(tǒng)的生命歷程息息相關(guān)。進程的出現(xiàn)，使得程序狀態(tài)的保存變?yōu)楝F(xiàn)實，為進程間的切換提供了可能，實現(xiàn)了操作系統(tǒng)的并發(fā)，大大提高資源利用率。雖然進程的出現(xiàn)解決了操作系統(tǒng)的并發(fā)問題，但人們對實時性又有了更高的要求。由于一個進程由若干個子任務(wù)組成，因此人們就創(chuàng)造了線程，讓每個線程負責一個獨立的子任務(wù)，提高程序的響應(yīng)靈敏度。一個進程雖然包括多個線程，可是這些線程是共同享有進程占有的資源和地址空間的。因此，雖然多線程提高了資源利用率，保證了實時性，但同時也帶來了包括安全性、活躍性和性能等問題?？偟膩碚f，進程讓操作系統(tǒng)的并發(fā)性成為可能，而線程讓進程的內(nèi)部并發(fā)成為可能。進程和線程的由來操作系統(tǒng)中為什么會出現(xiàn)進程？說起進程的由來，我們需要從操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史談起。可能在今天，我們無法想象在很多年以前計算機是什么樣子。我們現(xiàn)在能夠用計算機來做很多事情：辦公、娛樂、上網(wǎng)，可是在計算機剛出現(xiàn)的時候，是為了解決數(shù)學計算的問題，因為很多大量的計算經(jīng)過人力去完成是很耗時間和人力成本的。在最初的時候，計算機只能接受一些特定的指令，用戶輸入一個指令，計算機就做一個操作。當用戶在思考或者輸入數(shù)據(jù)時，計算機就在等待。顯然，這樣效率會很低下，因為很多時候，計算機處于等待用戶輸入的狀態(tài)。那么，能不能把一系列需要操作的指令預(yù)先寫下來，形成一個清單，然后一次性交給計算機，計算機不斷地去讀取指令來進行相應(yīng)的操作？就這樣，

批處理操作系統(tǒng)誕生了。用戶能夠?qū)⑿枰獔?zhí)行的多個程序?qū)懺诖艓?，然后交由計算機去讀取并逐個地執(zhí)行這些程序，并將輸出結(jié)果寫到另一個磁帶上。雖然批處理操作系統(tǒng)的誕生極大地提高了任務(wù)處理的便捷性，可是依然存在一個很大的問題：假如有兩個任務(wù)A和B，任務(wù)A在執(zhí)行到一半的過程中，需要讀取大量的數(shù)據(jù)輸入（I/O操作），而此時CPU只能靜靜地等待任務(wù)A讀取完數(shù)據(jù)才能繼續(xù)執(zhí)行，這樣就白白浪費了CPU資源。人們于是想，能否在任務(wù)A讀取數(shù)據(jù)的過程中，讓任務(wù)B去執(zhí)行，當任務(wù)A讀取完數(shù)據(jù)之后，讓任務(wù)B暫停，然后讓任務(wù)A繼續(xù)執(zhí)行？可是這樣就有一個問題，原來每次都是一個程序在計算機里面運行，也就說內(nèi)存中始終只有一個程序的運行數(shù)據(jù)。而如果想要任務(wù)A執(zhí)行I/O操作的時候，讓任務(wù)B去執(zhí)行，必然內(nèi)存中要裝入多個程序，那么如何處理呢？多個程序使用的數(shù)據(jù)如何進行辨別呢？而且，當一個程序運行暫停后，后面如何恢復(fù)到它之前執(zhí)行的狀態(tài)呢？這個時候，人們就創(chuàng)造了進程，用進程來對應(yīng)一個程序，每個進程對應(yīng)一定的內(nèi)存地址空間，而且只能使用它自己的內(nèi)存空間，各個進程間互不干擾。而且，進程保存了程序每個時刻的運行狀態(tài)，這樣就為進程切換提供了可能。當進程暫停時，它會保存當前進程的狀態(tài)（比如進程標識、進程的使用的資源等），在下一次重新切換回來時，便根據(jù)之前保存的狀態(tài)進行恢復(fù)，然后繼續(xù)執(zhí)行。這就是并發(fā)，能夠讓操作系統(tǒng)從宏觀上看起來同一個時間段有多個任務(wù)在執(zhí)行。換句話說，進程讓操作系統(tǒng)的并發(fā)成為了可能。注意，雖然并發(fā)從宏觀上看有多個任務(wù)在執(zhí)行，可是事實上，任一個具體的時刻，只有一個任務(wù)在占用CPU資源（當然是對于單核CPU來說的）。為什么會出現(xiàn)線程？在出現(xiàn)了進程以后，操作系統(tǒng)的性能得到了大大的提升。雖然進程的出現(xiàn)解決了操作系統(tǒng)的并發(fā)問題，可是人們依然不滿足，人們逐漸對實時性有了要求。因為一個進程在一個時間段內(nèi)只能做一件事情，如果一個進程有多個子任務(wù)，只能逐個地去執(zhí)行這些子任務(wù)。比如，對于一個監(jiān)控系統(tǒng)來說，它不但要把圖像數(shù)據(jù)顯示在畫面上，還要與服務(wù)端進行通信獲取圖像數(shù)據(jù)，還要處理人們的交互操作。如果某一個時刻該系統(tǒng)正在與服務(wù)器通信獲取圖像數(shù)據(jù)，而用戶又在監(jiān)控系統(tǒng)上點擊了某個按鈕，那么該系統(tǒng)就要等待獲取完圖像數(shù)據(jù)之后才能處理用戶的操作，如果獲取圖像數(shù)據(jù)需要耗費10s，那么用戶就只有一直等待。顯然，對于這樣的系統(tǒng)，人們是無法滿足的。那么，可不能夠?qū)⑦@些子任務(wù)分開執(zhí)行呢？即，在系統(tǒng)獲取圖像數(shù)據(jù)的同時，如果用戶點擊了某個按鈕，則會暫停獲取圖像數(shù)據(jù)，而先去響應(yīng)用戶的操作（因為用戶的操作往往執(zhí)行時間很短），在處理完用戶操作之后，再繼續(xù)獲取圖像數(shù)據(jù)。人們就創(chuàng)造了線程，讓一個線程去執(zhí)行一個子任務(wù)，這樣一個進程就包括了多個線程，每個線程負責一個獨立的子任務(wù)。這樣，在用戶點擊按鈕的時候，就能夠暫停獲取圖像數(shù)據(jù)的線程，讓UI線程響應(yīng)用戶的操作，響應(yīng)完之后再切換回來，讓獲取圖像的線程得到CPU資源。從而，讓用戶感覺系統(tǒng)是同時在做多件事情的，滿足了用戶對實時性的要求。換句話說，進程讓操作系統(tǒng)的并發(fā)性成為可能，而線程讓進程的內(nèi)部并發(fā)成為可能。可是要注意，一個進程雖然包括多個線程，可是這些線程是共同享有進程占有的資源和地址空間的。進程是操作系統(tǒng)進行資源分配的基本單位，而線程是操作系統(tǒng)進行調(diào)度的基本單位。多線程并發(fā)由于多個線程是共同占有所屬進程的資源和地址空間的，那么就會存在一個問題：如果多個線程要同時訪問某個資源，怎么處理？這個問題就是并發(fā)安全性問題。另外，可能有朋友會問，現(xiàn)在很多時候都采用多線程編程，那么是不是多線程的性能一定就由于單線程呢？答案是不一定，要看具體的任務(wù)以及計算機的配置。比如說：對于單核CPU，如果是CPU密集型任務(wù)，如解壓文件，多線程的性能反而不如單線程性能，因為解壓文件需要一直占用CPU資源，如果采用多線程，線程切換導致的開銷反而會讓性能下降?？墒菍τ诒热缃换ヮ愋偷娜蝿?wù)，肯定是需要使用多線程的。而對于多核CPU，對于解壓文件來說，多線程肯定優(yōu)于單線程，因為多個線程能夠更加充分利用每個核的資源。雖然多線程能夠提升程序性能，可是相對于單線程來說，它的編程要復(fù)雜地多，要考慮線程安全問題。因此，在實際編程過程中，要根據(jù)實際情況具體選擇。并發(fā)簡史總結(jié)早期的計算機不包含操作系統(tǒng)，它們從頭到尾只執(zhí)行一個程序，而且這個程序能夠訪問計算機中的所有資源。這對于昂貴且稀有的計算機資源來說是一種浪費；操作系統(tǒng)的出現(xiàn)使得計算機能同時運行多個程序，不同的程序都在單獨的進程中運行，而且操作系統(tǒng)為各個獨立執(zhí)行的進程分配資源(eg:經(jīng)過粗粒度時間分片使程序共享資源，如CPU等)。這無疑提高了計算機資源的利用率；在早期的分時系統(tǒng)中，每個進程的執(zhí)行都是串行的。串行編程模型的優(yōu)勢在于其簡單性和直觀性，因為它每次只做一件事情，做完之后再做另一件。這種串行編程模型依然存在著計算機資源利用率不高的問題；促使進程出現(xiàn)的因素同樣也促使著線程的出現(xiàn)。線程允許在同一個進程中同時存在多個程序控制流。線程會共享進程范圍內(nèi)的資源，但每個線程都有各自的程序計數(shù)器、棧以及局部變量等等；線程也被成為輕量級進程。在大多數(shù)現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，都是以線程為基本的調(diào)度單位，而不是進程。如果沒有明確的協(xié)同機制，那么線程將彼此獨立執(zhí)行。由于同一個進程的所有線程都將共享進程的內(nèi)存地址空間，因此這些線程都能訪問相同的變量，這就需要實現(xiàn)一種比進程間共享數(shù)據(jù)粒度更細的數(shù)據(jù)共享機制。如果沒有明確的同步機制來協(xié)同對共享數(shù)據(jù)的訪問，將造成不可預(yù)測的結(jié)果。線程的優(yōu)勢解耦、簡化程序開發(fā)在程序中，如果我們?yōu)槊糠N類型的任務(wù)都分配一個專門的線程，那么能夠形成一種串行執(zhí)行的假象，并將程序的執(zhí)行邏輯與調(diào)度機制的細節(jié)，交替執(zhí)行的操作，異步I/O以及資源等待等問題分離開來。經(jīng)過使用線程，能夠?qū)?fù)雜而且異步的工作流進一步分解為一組簡單而且同步的工作流，每個工作流在一個單獨的線程中運行，并在特定的同步位置進行交互。Servlet框架就是一個很好的例子。框架負責解決一些細節(jié)問題，包括請求管理、線程創(chuàng)立、負載平衡等，并在正確的時刻將請求分發(fā)給正確的應(yīng)用程序組件(對應(yīng)的一個具體Servlet)。編寫Servlet的開發(fā)人員不需要了解有多少請求在同一時刻被處理，也不需要了解套接字的輸入(出)流是否被阻塞。當調(diào)用Servlet的service方法來響應(yīng)Web請求時，能夠以同步方式來處理這個請求，就仿佛它是一個單線程的程序。這種方式簡化了組件的開發(fā)，大大降低框架學習門檻。多線程還有助于用戶界面的靈敏響應(yīng)。例如，在Android開發(fā)中，我們常常將網(wǎng)路請求或I/O等耗時操作單獨放到一個線程中，以提高響應(yīng)的靈敏度。提高資源利用率多處理器系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得同一個程序的多個線程能夠被同時調(diào)度到多個CPU上運行。因此，多線程程序能夠經(jīng)過提高處理器資源的利用率來提升系統(tǒng)的吞吐率。其實，多線程程序也有助于在單處理器系統(tǒng)上獲得更高的吞吐率（如果程序的一個線程在等待I/O操作的完成，另一個線程能夠繼續(xù)運行，使程序能夠在I/O阻塞期間繼續(xù)運行）。線程帶來的風險安全性問題在線程安全性的定義中，最核心的概念就是正確性。當多個線程訪問某個類時，不論運行時環(huán)境采用何種調(diào)度方式或者這些線程將如何交替執(zhí)行，而且在主調(diào)代碼中不需要任何額外的同步或協(xié)同，這個類都能表現(xiàn)出正確的行為，那么這個類就是線程安全的。線程不安全類示例：@NotThreadSafe

publicclassUnsafeSequence{

privateintvalue;

/**Returnsauniquevalue.*/

publicintgetNext(){

returnvalue++;

}

}雖然

遞增運算“value++”看上去是單個操作，但實際上它包含三個獨立的操作：讀取value,將value加1，并將計算結(jié)果寫入value。由于運行時各個線程執(zhí)行順序的不確定性，可能這段代碼在不同線程的調(diào)用中返回相同的數(shù)值活躍性問題活躍性問題關(guān)注的是：某件正確的事情最終會發(fā)生。導致活躍性的問題包括死鎖、饑餓等。性能問題性能問題關(guān)注的是：正確的事情能夠盡快發(fā)生。性能問題包括多個方面，例如響應(yīng)不靈敏，吞吐率過低，資源消耗過高等。在多線程程序中，當線程調(diào)度器臨時掛起活躍線程并轉(zhuǎn)而運行另一個線程時，就會頻繁出現(xiàn)上下文切換操作(ContextSwitch)，這種操作會導致CPU時間更多的花在線程調(diào)度上而非線程的運行上。線程無處不在在Java中，一個應(yīng)用程序?qū)?yīng)著一個JVM實例（JVM進程）。Java采用的是單線程編程模型，即在我們自己的程序中如果沒有主動創(chuàng)立線程的話，只會創(chuàng)立一個線程，一般稱為主線程。可是要注意，雖然只有一個線程來執(zhí)行任務(wù)，不代表JVM中只有一個線程，JVM實例在創(chuàng)立的時候，同時會創(chuàng)立很多其它的線程（比如垃圾收集器線程）。由于Java采用的是單線程編程模型，因此在進行UI編程時要注意將耗時的操作放在子線程中進行，以避免阻塞主線程（在UI編程時，主線程即UI線程，用來處理用戶的交互事件）。publicclassTest{

publicstaticvoidmain(String[]args)