1. 为什么要学习多线程？

首先相信各位小伙伴在学习 JavaSE 的时候，肯定写过一些小游戏吧，比如猜数字，关机小程序...但是如果现在要在猜数字小游戏上面加上一个功能，设定20秒没猜中，就判定游戏失败，那么请问，以没学过多线程的角度来看，你要如何增加这样的一个计时功能呢？即一遍玩游戏，一边计时。

上述只是方便各位理解多线程，本质多线程的意义就是能充分利用 CPU 的多核资源，解决并发编程的问题！

现在市面上买到笔记本所配的CPU，比如是八核十六线程，这里是指该 CPU 有八个物理核心，而每个物理核心上又虚拟了两个逻辑核心(超线程技术)，对应的就是十六个线程，所以通过设备管理器会显示出十六个核心，一个线程对应一个核心(逻辑核心)。

所以上述说到的十六个线程指CPU最多可以同时有十六个线程处理任务！

2. 进程的认识

2.1 进程与线程的关系

相信大家都有打开过自己电脑的任务管理器，里面可以发现运行着各种软件，我们认为一个跑起来的程序，就是一个进程，进程与线程是包含的关系，一个进程中可以有多个线程！

其实也有很多软件是采用多进程实现并发编程的，比如谷歌浏览器，每打开一个页面就打开了一个进程，为什么可以采取多进程实现并发编程，但是还要使用多线程呢？

这里给各位小伙伴举个例子，相信大家就很容易理解了：

如果说，篮球哥火了，最近篮球的订单量特别大，一个工厂的生产线都已经忙不过来了，于是我的贴心助手给了我两套解决方案：

第一套方案：

这是第一种解决方案，就是让我再租个地，在建一个工厂，搞一套机器设备。

显然呀，这又要去租个新的地了，又要盖工厂，还得有一套新的物流体系，哎呀，这真的是又费钱又费力气呀，于是我摇摇头，这不行，换方案！其实上述这样的方案，就类似于多进程！

第二套方案：

这是第二种解决方案，再原有的工厂内部，再开辟一条生产流水线。

此时场地和物流体系，是不是就可以复用原来场子的呀，也不用再去租场地建厂子了，共用一个场子就好了！很明显第二种解决方案，成本上比第一种小很多！

根据上述的例子，就可以把篮球哥的工厂想象成进程，工厂里的生产流水线想象成线程！

总结：
一个进程最少包含一个线程，也可以包含多个线程，同一个进程里的多个线程之间，共用了同一份资源(主要是内存和文件描述符表) 比如：在线程1 new 的对象，线程2，线程3都可以使用，在线程1打打开的文件，线程2，线程3都可以使用。

接着回答上面的问题，能使用多进程编程，为什么还要用线程？

其实上述举的例子也能清晰说明，创建一个进程开销是很大的！建工厂，搞生产线，弄一套物流...而创建线程只需要在原有的进程里开辟，比如只用在原来工厂多搞一套生产线即可。

销毁进程开销也很大呀！假如篮球哥不火了，订单变小了，只需要一个厂生产了，另一个厂就得销毁掉，还得拆物流，拆生产线，拆工厂，而如果是一个工厂有两套流水线，只需要拆其中一套流水线即可。

对于CPU来说，调度进程开销也比较大(后续讲解)

有了上述的情况线程就应运而生了，线程也叫做轻量级进程，这样的出现，在解决并发编程问题的前提下，让创建，销毁，调度的速度更快！

2.2 进程间如何通信？

针对进程使用的内存空间，进行了 "隔离"，即引入了虚拟地址空间，代码里不在直接使用真实的物理地址了，而是使用虚拟的地址，由操作系统和专门的硬件负责进行虚拟地址到物理地址的转换。主要目的是为了防止进程1内存越界，影响到线程2的运行，这里我们简单了解，不深入讨论。

虽然有了进程隔离，但还是会引入新的问题，有些时候，不同的进程之间，需要进行数据的交互，这就涉及到进程之间如何通信呢？

其实是在隔离的基础上，开了个口子，搞一个多个进程都能访问到的 "公共空间"，基于这个空间来进行交互数据即可，我们后续主要讲述：基于文件交互，基于网络交互。现在简单了解下即可。

3. 计算机如何描述进程的？

3.1 概述

进程是一个重要的软件资源，是由操作系统内核负责管理的。

使用了结构体(C语言的结构体)来描述了进程的属性，对于这个描述进程属性的结构体有一个名字，叫做 PCB(进程控制块)，每个线程也对应一个 PCB！所以一个进程中可以有多个线程，也就是多个 PCB！

如何把这些PCB管理起来呢？用一个类似于双向链表的结构，把多个 PCB 给串到一起。

创建一个进程，本质就是创建一个 PCB，给插入到链表中
销毁一个进程，本质就是把链表上的 PCB 节点给删除掉
通过任务管理器看到的进程列表，本质就是遍历这个 PCB 链表

注意：一个进程里可以有多个线程，每个线程对应一个PCB，但是这些 PCB 并不是完全独立的，而是有共享的部分，比如一个进程里的多个 PCB 之间，pid是一样的(表示这个进程唯一标识)，内存指针和文件描述符表也是一样的！

那么现在我们就要了解 PCB 包含了哪些描述进程的特征！

3.2 PCB 是如何描述进程的？

3.2.1 pid

pid 这个是进程里身份唯一的标识符，虽然一个进程里有多个线程，而这每个线程都对应一个 PCB 但是这些 PCB 的pid 都是一样的！用来标识这些线程是属于哪个进程的，也是这个进程的唯一标识符！

3.2.2 内存指针

内存指针，指向了该进程占用的内存是哪些，同理，虽然一个进程里包含多个线程，但是多个线程共享都是进程的资源，也就是利用了同一块内存，所以一个进程中线程对应PCB里内存指针，也是一样的！

3.3.3 文件描述符表

文件描述符表，表示打开的硬盘上的文件等其他资源，比如打开一个 .txt 文件，也就会对应在文件描述符表上新增一个表项(类似于数组的结构)，后续学到的网络编程，也会被当成文件，也会在文件描述符表上申请表项，跟详细内容在文件 IO 章节讲解。

3.3.4 进程调度相关属性（下述属性每个线程都有自己的）

线程的状态：

就绪状态：随叫随到，线程随时准备去 CPU 上执行

运行状态：正在 CPU 上执行的，很多操作系统，不会明确区分就绪和运行状态

阻塞状态：短时间内无法到CPU上运行了(后续文章会详细讲解)

优先级：

先让哪个线程在 CPU 上运行，后让哪个线程在 CPU 上运行，这也是有一定的优先级的，操作系统进线程调度的时候并不是很公平的。

上下文：

操作系统在进行线程谢欢的时候，就需要把进程执行的"中间状态"记录下来，保存好，下次这个线程再到 CPU 上去运行的时候，就可以恢复上次的状态，继续往下执行，本质上可以理解为 "存档和读档"，就是 CPU 中各个寄存器的值，保存上下文，就是把这些 CPU 寄存器的值记录保存到内存中(PCB)，回复上下文，就是把内存中这些寄存器的值恢复回去。

记账信息：

操作系统，统计每个线程在 CPU 上占用的时间和执行的指令数目，根据这个来决定下一阶段如何调度。

3.3.5 总结

PCB 这里包含的属性是非常多的，不止我们上面所说的 pid，内存指针，文件描述符表，调度相关属性，还有其他内容，上述内容只是一些核心的属性，对于我们程序猿来说，了解以上属性已经是差不多了。

但是从调度相关属性开始，就有些小伙伴看不明白了，什么是调度？

4. 线程的调度

如何理解调度？从字面理解，你的领导将把你从北京公司调度到上海分公司去，而在 CPU 中，调度就是把一个线程拿到 CPU 核心上执行任务！

进程是 CPU 资源分配的最小单位，而线程是 CPU 调度的最小单位！

要了解线程的调度，首先要知道两个概念，并行和并发：

并行：简单来说，两个线程在 CPU 的两个核心上运行

并发：简单来说，两个线程在一个 CPU 核心上运行，对两个线程进行快速切换

并行好理解，并发可能就不太好理解了！

举个例子，张三喜欢打游戏，突然女朋友给打电话了，此时张三的脑子里就有两个信号，第一个处理游戏，第二个处理女朋友的电话，可是既不能放下游戏，也不能挂掉女朋友电话呀，于是张三就一边打游戏，一边接电话，只要张三脑子在游戏电话这两个任务中切换的够快，不错过游戏的内容，也不错过女朋友的电话内容，此时就能做到无缝衔接！

放在 CPU 中，先运行一下QQ音乐，再运行一下再运行下画图板，再运行一下QQ音乐，再运行画图板，只要切换的速度足够快(3.2GHz，每秒约运行32亿条指令)，从我们的角度看是感知不到了，看起来好像是这几个线程再同时运行。

有了上面的理解，因此往往把并行和并发统称为并发，除非显式声明，否则后续我们说到的并发都是并行+并发

问题来了，CPU 的核心数有限，如果一个核心上并发运行多个线程，虽然我们知道是进行快速的切换，但是他们是随机切换的！也就是 CPU 是随机调度的，线程是抢占式执行的！这一点后续内容会用代码给大家验证！此处大家了解即可。

5. 线程的缺点

前面我们谈到，一个进程中可以有多个线程，就如同我们上述举的工厂的例子有两条生产线，现在假设要生产 100 个篮球，一条生产线生产一个篮球需要花 2 个小时，那么 100 个篮球就需要花 200 个小时，如果是两条生产线，大概只需要花 100 个小时左右，那是不是生产线越多就越好呢？工厂能不能放下那么多生产线呢？

到这里问题来了，进程中的线程是不是也是越多越好呢？这里通过一个形象的例子来演示：

滑稽老铁今天过生日，喊了自己的一个好哥们一起吃蛋糕：

注意：上述情况房子就像进程，里面有多个线程，共享这个蛋糕的资源，两个人吃蛋糕可能绰绰有余，速度也不快不慢，但是我们往后看：

这时候另一个滑稽老铁说，就咱们俩个人啊，一点气氛都没有，蛋糕那么大，吃都吃不完！能不能多喊几个人来啊？这样才不会浪费蛋糕呀！而且要是能把俺暗恋的对象也喊来该多好！

于是滑稽老铁说，你想要气氛对吧，那俺就把咱的好兄弟都喊过来！

此时滑稽越多，是不是吃蛋糕的速度就越快呢？并不是，桌子旁边的位置是有限的，就好比 CPU 的核心数也是有限的，如果滑稽老铁太多了(线程)，就会导致正在吃蛋糕的老铁没办法安心吃，一般一张桌子只能坐 12 个人，难不成一个人吃一口就换另一个人上来吃吗？这样的开销反而浪费在了 "换人吃蛋糕" 这个时间上，就好比如开销浪费在线程调度上了。

此时还有一个问题，一个滑稽老铁吃了一口下来了，空的这个座位有两个滑稽都想坐上去，可能就会打起来，谁也让着谁，会引发线程安全问题，也就是线程不安全！

更有一个特殊的情况，两个滑稽老铁争蛋糕上仅一份的巧克力，滑稽1把巧克力给抢走了！滑稽2抢不到巧克力就生气！拿起蛋糕往滑稽1脸上拍。

也就是如果一个线程抛异常处理的不好，很有可能把整个进程给带走了，其他老铁都吃不成蛋糕了，其他线程也就挂了！