Java并发编程实战 01 | 进程和线程

最早的计算机就像一个新手服务员，只有在接收到每一条指令时才会开始执行。当用户输入指令时，计算机会执行这条指令，然后等待下一条指令。如果用户在思考或者犹豫时，计算机就会乖乖地等待，效率实在是有点低，因为计算机有很多时间是闲着的。

批处理操作系统

后来，批处理操作系统出现了，它就像一个升级版的服务员，能够一次性接收一系列指令，并按顺序执行。这种系统允许用户将要执行的程序写入一盘磁带中，然后让计算机读取这些指令并执行，同时将结果写入另一盘磁带上。

虽然批处理操作系统在一定程度上提高了计算机的运行效率，但由于它仍然是串行处理的，内存中一次只能运行一个程序。后续的程序必须等到前一个程序完全执行完毕后才能开始执行。如果前一个程序因为I/O操作、网络请求等原因被阻塞，整个批处理的运行效率就会受到影响。因此，批处理操作系统的效率依然有限。

进程

随着科技的发展，人们对计算机性能的要求越来越高，现有的批处理操作系统已无法满足这些需求。批处理操作系统的瓶颈在于一次只能运行一个程序。

为了解决批处理操作系统的瓶颈，科学家们开发出了多任务操作系统，在多任务操作系统的诞生过程中，他们提出了一个新的概念——进程。

进程就是正在运行的程序。比如，当你启动一个 Java 程序时，实际上是启动了一个 Java 虚拟机进程。换句话说，一个正在运行的 Java 程序就是一个 Java 虚拟机进程。这个概念使得计算机能够同时运行多个程序，从而大大提高了计算机的效率和性能。

操作系统可以同时运行多个进程，比如 Chrome 浏览器、微信等，它们之间互不干扰。每个进程都会保存自身的运行状态，操作系统能够高效地管理和切换这些进程。

为实现这一点，CPU 使用时间片轮转调度算法来运行进程。这个算法的基本原理是：CPU 为每个进程分配一个固定的时间段，称为时间片。进程在运行时如果分配给它的时间片用完了，该进程会被暂停，然后操作系统将 CPU 分配给另一个进程，这个过程称为上下文切换。如果在时间片用完之前，进程被阻塞，CPU 会立即进行切换，无需等待时间片用完。

举个例子，在一个多任务系统中，如果有三个进程A、B和C，假设时间片的大小为50毫秒。每个进程将轮流使用CPU，每次最多50毫秒。操作系统会按照以下顺序执行：

进程A运行50毫秒。
进程B运行50毫秒。
进程C运行50毫秒。
回到进程A，继续执行下一个时间片。

当一个进程被暂停时，操作系统会保存该进程的当前状态（进程控制块PCB）。下次切换回来时，操作系统会根据之前保存的状态恢复进程，继续执行。

虽然从宏观上看，操作系统似乎能够在同一时间段内执行多个任务，实际上，对于单核 CPU 来说，在任意时刻，只会有一个进程占用着 CPU 资源，这称之为并发，与并发这个词还有一个相似的概念叫做并行。

并发和并行

在计算机中，并发意味着多个任务在同一时间段内看似同时执行，但实际上它们是通过快速切换来共享 CPU 时间的。虽然每个任务并不是真正同时进行的，但如果切换得够快，给用户的感觉就像是多个任务同时在运行。

并发就像一个人（单核 CPU）在同时处理多件事情。想象你是一个服务员，负责照顾几张桌子上的客人。你可以走到第一桌，记下点的饮料，然后走到第二桌，记下点的主菜，再走到第三桌，记下甜点。虽然你在同一时刻只能服务一桌客人，但通过快速地在几桌之间切换，看起来好像你在同时为每桌提供服务。这就是并发。

并行意味着多个任务在不同的处理器（或 CPU 核心）上同时执行。因为每个任务都有自己独立的计算资源，所以它们是真正意义上地同时进行。

并行就像有多个服务员（多核 CPU）同时在不同的桌子上服务客人。每个服务员负责一张或几张桌子，他们可以真正同时接单、上菜、收盘子。这样，每张桌子都能独立得到服务，而不需要等待其他桌子的服务结束。这就是并行。

线程

尽管进程的引入显著提升了操作系统的性能，但随着时间的推移，人们希望单个进程能够处理更多的任务。如果一个进程中的多个子任务只能逐一执行，还是有很大的缺陷。

举个例子，当你使用浏览器浏览网页时，看到一个感兴趣的文件想要下载，如果在下载文件的过程中，浏览器无法继续加载其他网页，这显然是一个不好的用户体验。

为了解决这个问题，人们又引入了线程的概念。线程是进程中的一个执行单元，每个线程可以独立地完成一个子任务。这样，一个进程可以包含多个线程，如果需要，多个线程可以并发地执行。

例如，下面的 Java 代码展示了如何在主线程中启动两个新线程，每个线程负责执行不同的任务，一个线程负责打印 “hello world”，另一个线程负责打印 “I love you”：

class SayHelloThread extends Thread {
    public void run() {
        System.out.println("Hello world");
    }
}

class SayLoveThread extends Thread {
    public void run() {
        System.out.println("I love you");
    }
}

public class MultiThreadJavaApp {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SayHelloThread sayHelloThread = new SayHelloThread();
        SayLoveThread sayLoveThread = new SayLoveThread();
        sayHelloThread.start();
        sayLoveThread.start();
        //main thread sleep
        Thread.sleep(5000);
    }
}

//输出：
hello world
I love you