一、摘要

在很多場景下，我們經(jīng)常聽到采用多線程編程，能顯著的提升程序的執(zhí)行效率。例如執(zhí)行大批量數(shù)據(jù)的插入操作，采用單線程編程進(jìn)行插入可能需要 30 分鐘，采用多線程編程進(jìn)行插入可能只需要 5 分鐘就夠了。

既然多線程編程技術(shù)如此厲害，那什么是多線程呢？

在介紹多線程之前，我們還得先講講進(jìn)程和線程的概念。

二、進(jìn)程和線程

2.1、什么是進(jìn)程？

從計算機(jī)角度來講，進(jìn)程是操作系統(tǒng)中的基本執(zhí)行單元，也是操作系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位，并且進(jìn)程之間相互獨立，互不干擾。

例如，我們windows電腦中的 Chrome 瀏覽器是一個進(jìn)程、WeChat 也是一個進(jìn)程，正在操作系統(tǒng)中運行的.exe都可以理解為一個進(jìn)程。

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2.2、什么是線程？

關(guān)于線程，比較官方的定義是，線程是進(jìn)程中的?個執(zhí)?單元，也是操作系統(tǒng)能夠進(jìn)行運算調(diào)度的最小單位，負(fù)責(zé)當(dāng)前進(jìn)程中程序的執(zhí)?。同時?個進(jìn)程中?少有?個線程，?個進(jìn)程中也可以有多個線程，它們共享這個進(jìn)程的資源，擁有多個線程的程序，我們也稱為多線程編程。

舉個例子，Chrome 瀏覽器和 WeChat 是兩個進(jìn)程，Chrome 瀏覽器進(jìn)程里面有很多線程，例如 HTTP 請求線程、事件響應(yīng)線程、渲染線程等等，線程的并發(fā)執(zhí)行使得在瀏覽器中點擊一個新鏈接從而發(fā)起 HTTP 請求時，瀏覽器還可以響應(yīng)用戶的其它事件。

2.3、進(jìn)程和線程的關(guān)系

關(guān)于進(jìn)程和線程，可能上面的解釋過于抽象，還是很難理解，下面是一段出自阮一峰老師博客文章的介紹，可能描述不是非常嚴(yán)謹(jǐn)，但是足夠形象，有助于我們對它們關(guān)系的理解。

1.我們都知道，計算機(jī)的核心是 CPU，它承擔(dān)了所有的計算任務(wù)。它就像一座工廠，時刻在運行；（CPU 類似于工廠）

2.假定工廠的電力有限，一次只能供給一個車間使用。也就是說，一個車間開工的時候，其他車間都必須停工。背后的含義就是，單個 CPU 一次只能運行一個任務(wù)；

3.進(jìn)程就好比工廠的車間，它代表 CPU 所能處理的單個任務(wù)。任一時刻，CPU 總是運行一個進(jìn)程，其他進(jìn)程處于非運行狀態(tài)；（進(jìn)程類似于車間）

4.一個車間里，可以有很多工人。他們協(xié)同完成一個任務(wù)；

5.線程就好比車間里的工人。一個進(jìn)程可以包括多個線程；（線程類似于工人）

6.車間的空間是工人們共享的，比如許多房間是每個工人都可以進(jìn)出的。這象征一個進(jìn)程的內(nèi)存空間是共享的，每個線程都可以使用這些共享內(nèi)存；（每個線程共享進(jìn)程下的內(nèi)存資源）

7.一個防止他人進(jìn)入的簡單方法，就是門口加一把鎖。先到的人鎖上門，后到的人看到上鎖，就在門口排隊，等鎖打開再進(jìn)去。這就叫"互斥鎖"（Mutual exclusion，縮寫 Mutex），防止多個線程同時讀寫某一塊內(nèi)存區(qū)域；（多個線程下可以通過互斥鎖，實現(xiàn)資源獨占）

8.還有些房間，可以同時容納 n 個人，比如廚房。也就是說，如果人數(shù)大于 n，多出來的人只能在外面等著。這好比某些內(nèi)存區(qū)域，只能供給固定數(shù)目的線程使用；

9.這時的解決方法，就是在門口掛 n 把鑰匙。進(jìn)去的人就取一把鑰匙，出來時再把鑰匙掛回原處。后到的人發(fā)現(xiàn)鑰匙架空了，就知道必須在門口排隊等著了。這種做法叫做 "信號量"（Semaphore），用來保證多個線程不會互相沖突。（多個線程下可以通過信號量，實現(xiàn)互不沖突）

不難看出，互斥鎖 Mutex 是信號量 semaphore 的一種特殊情況（n = 1時）。也就是說，完全可以用后者替代前者。但是，因為 Mutex 較為簡單，且效率高，所以在必須保證資源獨占的情況下，還是采用這種方式。

2.4、為什么要引入線程？

早期的操作系統(tǒng)都是以進(jìn)程作為獨立運行的基本單位的，直到后期計算機(jī)科學(xué)家們又提出了更小的能獨立運行的基本單位，也就是線程。

那為什么要引入線程呢？我們只需要記住這句話：線程又稱為迷你進(jìn)程，但是它比進(jìn)程更容易創(chuàng)建，也更容易撤銷。

引入線程之后，可以將復(fù)雜的操作進(jìn)一步分解，讓程序的執(zhí)行效率進(jìn)一步提升。

舉個例子，進(jìn)程就如同一個隨時背著糧草和機(jī)槍的士兵，這樣肯定會造成士兵的執(zhí)行戰(zhàn)斗的速度。因此，一個簡單想法就是：分配兩個人來執(zhí)行，一個士兵負(fù)責(zé)隨時背著糧草，另一個士兵負(fù)責(zé)抗機(jī)槍戰(zhàn)斗，這樣執(zhí)行戰(zhàn)斗的速度會大幅提升。這些輕裝上陣的士兵，可以理解為我們上文提到的線程！

從計算機(jī)角度來說，由于創(chuàng)建或撤銷進(jìn)程時，系統(tǒng)都要為之分配或回收資源，如內(nèi)存空間、I/O 設(shè)備等，需要較大的時間和空間開銷。

為了減少進(jìn)程切換的開銷，把進(jìn)程作為資源分配單位和調(diào)度單位這兩個屬性分開處理，即進(jìn)程還是作為資源分配的基本單位，但是把調(diào)度執(zhí)行與切換的責(zé)任交給線程，即線程成為獨立調(diào)度的基本單位，它比進(jìn)程更容易（更快）創(chuàng)建，也更容易撤銷。

一句話總結(jié)就是：引入線程前，進(jìn)程是資源分配和獨立調(diào)度的基本單位。引入線程后，進(jìn)程是資源分配的基本單位，線程是獨立調(diào)度的基本單位，線程也是進(jìn)程中的?個執(zhí)?單元。

三、創(chuàng)建線程的方式

在 Java 里面，創(chuàng)建線程有以下兩種方式：

• 繼承java.lang.Thread類，重寫run()方法
• 實現(xiàn)java.lang.Runnable接口，然后通過一個java.lang.Thread類來啟動

不管是哪種方式，所有的線程對象都必須是Thread類或其?類的實例，每個線程的作?是完成?定的任務(wù)，實際上就是執(zhí)??段程序流，即?段順序執(zhí)?的代碼，任務(wù)執(zhí)行完畢之后就結(jié)束了。

在 Java 中，通過Thread類來創(chuàng)建并啟動線程的步驟如下：

• 1.定義Thread類的?類，并重寫該類的run()方法
• 2.通過Thread子類，初始化線程對象
• 3.通過線程對象，調(diào)用start()方法啟動線程

下面我們具體來看看創(chuàng)建線程的代碼實踐。

3.1、繼承 Thread 類，重寫 run 方法介紹

/**
 * 創(chuàng)建一個 Thread 子類
 */
public class Thread0 extends Thread {

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            String time = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss:SSS").format(new Date());
            System.out.println(time + " 當(dāng)前線程：" + Thread.currentThread().getName() + "，正在運行");
        }
    }
}

/**
 * 創(chuàng)建一個測試類
 */
public class ThreadTest0 {

    public static void main(String[] args) {
        // 初始化一個線程對象，然后啟動線程
        Thread0 thread0 = new Thread0();
        thread0.start();

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            String time = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss:SSS").format(new Date());
            System.out.println(time + " 當(dāng)前線程：" + Thread.currentThread().getName() + "，正在運行");
        }
    }
}

輸出結(jié)果：

2023-08-23 17:58:03:726 當(dāng)前線程：Thread-0，正在運行
2023-08-23 17:58:03:727 當(dāng)前線程：Thread-0，正在運行
2023-08-23 17:58:03:726 當(dāng)前線程：main，正在運行
2023-08-23 17:58:03:727 當(dāng)前線程：Thread-0，正在運行
2023-08-23 17:58:03:727 當(dāng)前線程：main，正在運行
2023-08-23 17:58:03:728 當(dāng)前線程：Thread-0，正在運行
2023-08-23 17:58:03:728 當(dāng)前線程：main，正在運行
2023-08-23 17:58:03:728 當(dāng)前線程：Thread-0，正在運行
2023-08-23 17:58:03:728 當(dāng)前線程：main，正在運行
2023-08-23 17:58:03:728 當(dāng)前線程：main，正在運行

從執(zhí)行時間上可以看到，main線程和Thread-0線程交替運行，效果十分明顯！

所謂的多線程，其實就是兩個及以上線程的代碼可以同時運行，而不必一個線程需要等待另一個線程內(nèi)的代碼執(zhí)行完才可以運行。

對于單核 CPU 來說，是無法做到真正的多線程的；但是對于多核 CPU 來說，在一段時間內(nèi)，可以執(zhí)行多個任務(wù)的，由于 CPU 執(zhí)行代碼時間很快，所以兩個線程的代碼交替執(zhí)行看起來像是同時執(zhí)行的一樣，具體執(zhí)行某段代碼多少時間，就和分時機(jī)制系統(tǒng)有關(guān)了。

分時機(jī)制系統(tǒng)，簡單的說，就是將 CPU 時間劃分為多個時間片，操作系統(tǒng)以時間片為單位來執(zhí)行各個線程的代碼，越好的 CPU 分出的時間片越小。

例如某個時段， CPU 將 1 秒劃分成 50 個時間片，1 個時間片耗時 20 ms，每個時間片均進(jìn)行線程切換，也就是說 1 秒可以執(zhí)行 50 個任務(wù)，給人的感覺好像計算機(jī)能同時處理多件事情，其實是 CPU 執(zhí)行任務(wù)速度太快給人產(chǎn)生的錯覺感。

3.2、實現(xiàn) Runnable 接口，然后通過 Thread 類來啟動介紹

/**
 * 實現(xiàn) Runnable 接口
 */
public class Thread2 implements Runnable{

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            String time = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss:SSS").format(new Date());
            System.out.println(time + " 當(dāng)前線程：" + Thread.currentThread().getName() + "，正在運行");
        }
    }
}

/**
 * 創(chuàng)建一個測試類
 */
public class ThreadTest2 {

    public static void main(String[] args) {
        // 通過一個Thread來啟動線程
        Thread thread2 = new Thread(new Thread2());
        thread2.start();

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            String time = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss:SSS").format(new Date());
            System.out.println(time + " 當(dāng)前線程：" + Thread.currentThread().getName() + "，正在運行");
        }
    }
}

輸出結(jié)果：

2023-08-23 18:30:28:664 當(dāng)前線程：Thread-0，正在運行
2023-08-23 18:30:28:666 當(dāng)前線程：Thread-0，正在運行
2023-08-23 18:30:28:666 當(dāng)前線程：Thread-0，正在運行
2023-08-23 18:30:28:664 當(dāng)前線程：main，正在運行
2023-08-23 18:30:28:666 當(dāng)前線程：Thread-0，正在運行
2023-08-23 18:30:28:667 當(dāng)前線程：Thread-0，正在運行
2023-08-23 18:30:28:668 當(dāng)前線程：main，正在運行
2023-08-23 18:30:28:668 當(dāng)前線程：main，正在運行
2023-08-23 18:30:28:668 當(dāng)前線程：main，正在運行
2023-08-23 18:30:28:668 當(dāng)前線程：main，正在運行

效果跟上面介紹的一樣，如果循環(huán)的打印次數(shù)越多，效果越明顯！

四、線程狀態(tài)

下圖是一張從操作系統(tǒng)角度劃分的線程模型狀態(tài)！

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線程被分為五種狀態(tài)，各個狀態(tài)說明如下：

• 1.新建狀態(tài)：表示創(chuàng)建了一個新的線程對象，例如Thread thread = new Thread()
• 2.就緒狀態(tài)：比如調(diào)用線程的start()方法，就會處于就緒狀態(tài)，也被稱為可執(zhí)行狀態(tài)，隨時可能被 CPU 調(diào)度執(zhí)行
• 3.運行狀態(tài)：獲得了 CPU 時間片，執(zhí)行程序代碼。需要注意的是，線程只能從就緒狀態(tài)進(jìn)入到運行狀態(tài)
• 4.阻塞狀態(tài)：因為某種原因出現(xiàn)了阻塞，線程放棄對 CPU 的使用權(quán)，停止執(zhí)行，直到阻塞事件結(jié)束，重新進(jìn)入就緒狀態(tài)才有可能再次被 CPU 調(diào)度。
• 5.結(jié)束狀態(tài)：線程里面的方法正常執(zhí)行結(jié)束或者因為某種異常退出了，則該線程結(jié)束生命周期

針對操作系統(tǒng)的線程模型，Java 進(jìn)行部分封裝和擴(kuò)充，JVM 中的線程狀態(tài)總共有六種，它們之間的關(guān)系，可以用如下圖來表示：

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各個狀態(tài)說明如下：

1.新建狀態(tài)（NEW）：新創(chuàng)建了一個線程對象

2.運行狀態(tài)（RUNNABLE）：Java 線程中將就緒狀態(tài)和運行中兩種狀態(tài)，籠統(tǒng)的稱為“運行”。線程對象創(chuàng)建后，調(diào)用了該對象的start()方法，該線程處于就緒狀態(tài)，獲得 CPU 時間片后變?yōu)檫\行中狀態(tài)

3.阻塞狀態(tài)（BLOCKED）：因為某種原因，線程放棄對 CPU 的使用權(quán)，停止執(zhí)行，直到進(jìn)入就緒狀態(tài)才有可能再次被 CPU 調(diào)度。比如線程在獲得synchronized同步鎖失敗后，會把線程放入鎖池中，線程進(jìn)入同步阻塞狀態(tài)。

4.等待狀態(tài)（WAITING）：處于這種狀態(tài)的線程不會被分配 CPU 執(zhí)行時間，它們要等待被顯式地喚醒，否則會處于無限期等待的狀態(tài)。比如運行狀態(tài)的線程執(zhí)行wait方法，會把線程放在等待隊列中，直到被喚醒或者因異常自動退出

5.超時等待狀態(tài)（TIMED_WAITING）：處于這種狀態(tài)的線程不會被分配 CPU 執(zhí)行時間，不過無須無限期等待被其他線程顯式地喚醒，在到達(dá)一定時間后它們會自動喚醒。比如運行狀態(tài)的線程執(zhí)行Thread.sleep(1000)方法，當(dāng)?shù)竭_(dá)目標(biāo)時間后，會自動喚醒或者因異常自動退出

6.終止?fàn)顟B(tài)（TERMINATED）：表示該線程已經(jīng)執(zhí)行完畢，處于終止?fàn)顟B(tài)的線程不具備繼續(xù)運行的能力

五、小結(jié)

本文主要圍繞進(jìn)程和線程的一些基礎(chǔ)知識，進(jìn)行簡單的入門知識總結(jié)。

線程的特征和進(jìn)程差不多，進(jìn)程有的它基本都有。

相對于進(jìn)程而言，線程更加的輕量化，主要承擔(dān)任務(wù)的執(zhí)行工作，優(yōu)點如下：

• 一個進(jìn)程中可以同時擁有多個線程，這些線程共享該進(jìn)程的資源。我們知道進(jìn)程間的通信必須請求操作系統(tǒng)服務(wù)（因為 CPU 要切換到內(nèi)核態(tài)），開銷很大。而同進(jìn)程下的線程間通信，無需操作系統(tǒng)干預(yù)，開銷更小
• 線程間可以并發(fā)執(zhí)行任務(wù)，線程間的并發(fā)比進(jìn)程的開銷更小，系統(tǒng)并發(fā)性更好
• 在多 CPU 環(huán)境下，各個線程也可以分派到不同的 CPU 上并行執(zhí)行
• 通過多線程編程，可以顯著的提升程序任務(wù)的執(zhí)行效率

不過線程也有缺點：

• 當(dāng)程序編程不合理，多個線程發(fā)生較長時間的等待或資源競爭時，可能會出現(xiàn)死鎖
• 等候使用共享資源時可能會造成程序的運行速度變慢。這些共享資源主要是獨占性的資源，如打印機(jī)、IO 設(shè)備等

總的來說，進(jìn)程和線程各有各優(yōu)勢，站在操作系統(tǒng)的設(shè)計角度而言，可以歸結(jié)為以下幾點：

• 采用多進(jìn)程方式，可以保證多個任務(wù)同時運行；
• 采用多線程方式，可以將單個任務(wù)分成不同的部分進(jìn)行執(zhí)行；
• 提供協(xié)調(diào)機(jī)制，防止進(jìn)程之間和線程之間產(chǎn)生沖突，同時允許進(jìn)程之間和線程之間共享資源，以充分的利用系統(tǒng)資源