终于把进程和线程学会了

ゝ一纸荒年。 2023-03-01 11:57 9阅读 0赞

# 前言 #

**`本篇文章保质保量，内容如下：关注我，不迷路，后续还会加餐哦！！！！`**  
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### 文章目录 ###

*  前言
 *  一、进程和线程的概念
 *   *  （一）形象的例子1
     *  （二）形象的例子2
     *  （三）形象的例子3
     *  （四）进程和线程的概念
 *  二、进程和线程的特征
 *  三、进程一点通
 *   *  （一）进程的三种基本状态
     *  （二）进程的三种基本状态的转换
     *  （三）扩展：进程的五状态模型
     *  （四）扩展：进程的七状态模型
     *  （五）扩展：进程的九状态模型
 *  四、线程一点通
 *   *  （一）有了进程为什么还要线程？
     *  （二）引入线程的好处
     *  （三）线程的五种状态
     *  （四）线程的状态转换模型
 *  五、Java中线程的创建与运行
 *   *  （一）由Thread的子类创建线程（小朋友数数字）
     *  （二）由Runnable接口实现多线程
 *  六、进程和多线程面试题总结
 *   *  （一）来源阿里巴巴(Java方向面经)
     *   *  1、进程和线程的概念
         *  2、进程或者线程的三个状态

# 一、进程和线程的概念 #

**人人都说**：`进程（process）是资源分配的最小单位，线程（thread）是CPU调度的最小单位`。

太抽象了，不好理解，我们来形象的理解一下。

## （一）形象的例子1 ##

这是阮一峰老师的一段比较有意思的介绍：

原地址在：[http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/04/processes\_and\_threads.html][http_www.ruanyifeng.com_blog_2013_04_processes_and_threads.html]

**`为了防止连接失效，还是把原作者的给拿过来了：`**

1、计算机的核心是CPU，它承担了所有的计算任务。它就像一座工厂，时刻在运行。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE3NjIzMzYz_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

2、假定工厂的电力是有限的，一次只能供给一个车间使用。也就是说，一个车间开工的时候，其他车间都必须停工。背后的含义就是，`单个CPU一次只能运行一个任务`。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE3NjIzMzYz_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

3、进程就好比工厂的车间，它代表CPU所能处理的单个任务。任一时刻，CPU总是运行一个进程，其他进程处于非运行状态。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE3NjIzMzYz_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

4、一个车间里，可以有很多工人。他们协同完成一个任务。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE3NjIzMzYz_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

5、线程就好比车间里的工人。一个进程可以包括多个线程。

![在这里插入图片描述][20200724234322846.jpg]

6、车间的空间是工人们共享的，比如许多房间是每个工人都可以进出的。这象征一个进程的内存空间是共享的，每个线程都可以使用这些共享内存。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE3NjIzMzYz_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

7、可是，每间房间的大小不同，有些房间最多只能容纳一个人，比如厕所。里面有人的时候，其他人就不能进去了。这代表一个线程使用某些共享内存时，其他线程必须等它结束，才能使用这一块内存。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE3NjIzMzYz_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

8、一个防止他人进入的简单方法，就是门口加一把锁。先到的人锁上门，后到的人看到上锁，就在门口排队，等锁打开再进去。这就叫["互斥锁"][Link 1]（Mutual exclusion，缩写 Mutex），防止多个线程同时读写某一块内存区域。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE3NjIzMzYz_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]

9、还有些房间，可以同时容纳n个人，比如厨房。也就是说，如果人数大于n，多出来的人只能在外面等着。这好比某些内存区域，只能供给固定数目的线程使用。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE3NjIzMzYz_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]

10、这时的解决方法，就是在门口挂n把钥匙。进去的人就取一把钥匙，出来时再把钥匙挂回原处。后到的人发现钥匙架空了，就知道必须在门口排队等着了。这种做法叫做["信号量"][Link 2]（Semaphore），用来保证多个线程不会互相冲突。

不难看出，mutex是semaphore的一种特殊情况（n=1时）。也就是说，完全可以用后者替代前者。但是，因为mutex较为简单，且效率高，所以在必须保证资源独占的情况下，还是采用这种设计。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE3NjIzMzYz_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]

11、操作系统的设计，因此可以归结为三点：

*  （1）以多进程形式，允许多个任务同时运行；
 *  （2）以多线程形式，允许单个任务分成不同的部分运行；
 *  （3）提供协调机制，一方面防止进程之间和线程之间产生冲突，另一方面允许进程之间和线程之间共享资源。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE3NjIzMzYz_size_16_color_FFFFFF_t_70 10]

## （二）形象的例子2 ##

如果还不理解就看这个来自一位知乎的动感例子：

原文连接：[https://www.zhihu.com/question/25532384][https_www.zhihu.com_question_25532384]

**`为了防止连接失效，还是把原作者的给拿过来了：`**

> 做个简单的比喻：`进程=火车`，`线程=车厢`
> 
>  *  线程在进程下行进（`单纯的车厢无法运行`）
>  *  一个进程可以包含多个线程（`一辆火车可以有多个车厢`）
>  *  不同进程间数据很难共享（`一辆火车上的乘客很难换到另外一辆火车，比如站点换乘`）
>  *  同一进程下不同线程间数据很易共享（`A车厢换到B车厢很容易`）
>  *  进程要比线程消耗更多的计算机资源（`采用多列火车相比多个车厢更耗资源`）
>  *  进程间不会相互影响，一个线程挂掉将导致整个进程挂掉（`一列火车不会影响到另外一列火车，但是如果一列火车上中间的一节车厢着火了，将影响到所有车厢`）
>  *  进程可以拓展到多机，进程最多适合多核（`不同火车可以开在多个轨道上，同一火车的车厢不能在行进的不同的轨道上`）
>  *  进程使用的内存地址可以上锁，即一个线程使用某些共享内存时，其他线程必须等它结束，才能使用这一块内存。`（比如火车上的洗手间）－"互斥锁"`
>  *  进程使用的内存地址可以限定使用量`（比如火车上的餐厅，最多只允许多少人进入，如果满了需要在门口等，等有人出来了才能进去）－“信号量”`

## （三）形象的例子3 ##

我们打开QQ、微信、IDEA等运行起来就是在运行一个进程。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE3NjIzMzYz_size_16_color_FFFFFF_t_70 11]

当你用QQ打开多个窗口与多人聊天时，这时会QQ这个进程会创建几个线程。

如上图所示，我就用QQ打开了三个窗口进行在聊天中。

## （四）进程和线程的概念 ##

`进程（process）是资源分配的最小单位，线程（thread）是CPU调度的最小单位`

`进程（Process)`是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是[操作系统][Link 3]结构的基础。在早期面向进程设计的计算机结构中，进程是程序的基本执行实体；在当代面向线程设计的计算机结构中，进程是线程的容器。程序是指令、数据及其组织形式的描述，进程是程序的实体。

`线程（thread）`是[操作系统][Link 3]能够进行运算[调度][Link 4]的最小单位。`它被包含在[进程]之中`，是[进程][Link 5]中的实际运作单位。一条线程指的是[进程][Link 5]中一个单一顺序的控制流，一个进程中可以并发多个线程，每条线程并行执行不同的任务。在Unix System V及[SunOS][]中也被称为轻量进程（lightweight processes），但轻量进程更多指内核线程（kernel thread），而把用户线程（user thread）称为线程。

# 二、进程和线程的特征 #

*  `动态性`：进程是程序的执行；
 *  `并发性`：多个进程可同存于内存中，能在一段时间内同时运行；
 *  `独立性`：独立运行的基本单位，独立获得资源和调度的基本单位；
 *  `异步性`：各进程按各自独立的不可预知的速度向前推进；
 *  `结构特征`：由程序段 、数据段、进程控制块（PCB）三部组成。

# 三、进程一点通 #

> 我们要知道：进程有三种基本状态： `进程在生命消亡前处于且仅处于三种基本状态之一`；

> **不同系统设置的进程状态数目不同(但都基于三种基本状态)**

## （一）进程的三种基本状态 ##

1、`就绪状态（Ready）`：存在于处理机调度队列中的那些进程，它们已经准备就绪，一旦得到CPU，就立即可以运行。这些进程所处的状态为就绪状态。

2、`运行状态（Running）`：正在运行的进程所处的状态为运行状态。

3、`等待状态（Wait / Blocked ）`：若一进程正在等待某一事件发生（如等待输入输出工作完成），这时，即使给它CPU，它也无法运行，称该进程处于等待状态、阻塞、 睡眠、封锁状态。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE3NjIzMzYz_size_16_color_FFFFFF_t_70 12]

## （二）进程的三种基本状态的转换 ##

三种基本状态的转换如下：

从`就绪态`–>到`运行态`；

从`运行态`–>到`就绪态`;

从`运行态`–>到`阻塞态`;

从`阻塞态`–>到`就绪态`。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE3NjIzMzYz_size_16_color_FFFFFF_t_70 13]

一般了解到三状态就够了。当然了，还有五状态、七状态、九状态。这些都是在三状态的基础上扩展的，所以是三状态是最重要的。

## （三）扩展：进程的五状态模型 ##

除此之外还有2种状态，`创建状态`和`终止状态`。

*  `新状态（创建）与退出（僵死）状态`。
 *  `新状态（创建状态）`是指利用fork系统调用来创建于进程时，被创建的新进程所处的状态；
 *  `退出状态（僵死状态）`是在进程执行了exit系统调用后所处的状态，此时该进程实际上已不存在，但还留下一些信息供父进程搜集。

**五状态图如下：**

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE3NjIzMzYz_size_16_color_FFFFFF_t_70 14]

## （四）扩展：进程的七状态模型 ##

**进程的挂起状态：**

> **引起挂起的原因:**`终端用户的请求—程序运行期间用户发现问题，希望程序暂停执行，以便研究执行情况或修改程序`
> 
> **父进程的请求：**`以便考察和修改该子进程，或者协调各子进程间的活动`
> 
> **负荷调节的需要：**`实时系统的工作负荷重时，挂起一些不重要的进程，保证系统正常运行`
> 
> **操作系统的需要：**`检查运行中资源使用情况或者进行记帐`

**引入挂起后的状态转换：**

活动就绪—静止就绪

活动阻塞—静止阻塞

静止就绪—活动就绪

静止阻塞—活动阻塞

**状态如下：**

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE3NjIzMzYz_size_16_color_FFFFFF_t_70 15]

## （五）扩展：进程的九状态模型 ##

**被抢占的就绪状态：**

> “被抢占”状态，也称为“被剥夺状态”。当正在核心态执行的进程要从核心态返回到用户态执行时，如果此时已有一优先级更高的进程在等待处理机，则此时内核可以抢占(剥夺)已分配给正在执行进程的处理机，去调度该优先级更高的进程执行。
> 
> 这时，被抢占了处理机的进程便转换为“被抢占”状态。处于“被抢占”状态的进程与处于“内存中就绪”状态的进程是等效的，它们都被排列在同一就绪队列中等待再次被调度。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE3NjIzMzYz_size_16_color_FFFFFF_t_70 16]

# 四、线程一点通 #

## （一）有了进程为什么还要线程？ ##

**线程的引入**

1、引入`进程`的目的是`为了使多个程序并发执行，以改善资源利用率、提高系统吞吐量`。

2、引入`线程`则是`为了减少程序并发执行时的所付出的时空开销`。

进程是一个可拥有资源的基本单位。

进程同时又是一个可独立调度和分派的基本单位。

进程作为一个资源拥有者，在创建、撤消、切换中，系统必须为之付出较大时空开销。所以系统中进程的数量不宜过多，进程切换的频率不宜过高，但这也就限制了并发程度的进一步提高。

为解决此问题，人们想到将进程的上述两个属性分开，即对作为调度和分派的基本单位，不同时作为独立分配资源的单位；对拥有资源的单位，不对之进行频繁切换。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE3NjIzMzYz_size_16_color_FFFFFF_t_70 17]

## （二）引入线程的好处 ##

*  1、创建一个新线程花费时间少（结束亦如此）；
 *  2、两个线程的切换花费时间少；
 *  3、因为同一进程内的线程共享内存和文件，因此它们之间相互通信无须调用内核；
 *  4、适合多处理机系统。

## （三）线程的五种状态 ##

*  1、`创建（new）状态`: 准备好了一个多线程的对象，即执行了new Thread(); 创建完成后就需要为线程分配内存
 *  2、`就绪（runnable）状态`: 调用了start()方法, 等待CPU进行调度
 *  3、`运行（running）状态`: 执行run()方法
 *  4、`阻塞（blocked）状态`: 暂时停止执行线程，将线程挂起(sleep()、wait()、join()、没有获取到锁都会使线程阻塞), 可能将资源交给其它线程使用
 *  5、`死亡（terminated）状态`: 线程销毁(正常执行完毕、发生异常或者被打断interrupt()都会导致线程终止)

## （四）线程的状态转换模型 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE3NjIzMzYz_size_16_color_FFFFFF_t_70 18]

# 五、Java中线程的创建与运行 #

## （一）由Thread的子类创建线程（小朋友数数字） ##

创建一个类作为Thread类的子类，由它通过`继承Thread类`并`重写其中的run()方法`来定义线程体以实现线程的具体行为。

**1、创建一个学生类：**

/** * @Auther: truedei * @Date: 2020 /20-7-24 22:56 * @Description: */
    public class Student { 
    
        private String name;
    
        public Student() { 
        }
    
        public Student(String name) { 
            this.name = name;
        }
    
        public String getName() { 
            return name;
        }
    
        public void setName(String name) { 
            this.name = name;
        }
    }

**2、创建学生类的线程类：**

/** * @Auther: truedei * @Date: 2020 /20-7-24 22:56 * @Description: */
    public class StudentThread extends Thread { 
    
        private Student student;
    
        public StudentThread(Student student) { 
            this.student = student;
        }
    
        public StudentThread() { 
    
        }
    
        @Override
        public void run() { 
            for (int i = 0; i < 100; i++) { 
                System.out.println("【"+this.student.getName()+"】在查数-->"+i);
            }
        }
    
    }

**3、创建测试类：**

/** * @Auther: truedei * @Date: 2020 /20-7-24 23:02 * @Description: */
    public class StudentThreadTest { 
    
        public static void main(String[] args) { 
    
            Student xiaohong = new Student("小红");
            Student xiaoming = new Student("小明");
    
            StudentThread st1 = new StudentThread(xiaohong);
            StudentThread st2 = new StudentThread(xiaoming);
    
            st1.start();
            st2.start();
        }
    }

**4、结果：**

> 从结果中可以看出小红和小明是交替着在执行的，而且`每一次运行该程序都会有不同的结果`。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE3NjIzMzYz_size_16_color_FFFFFF_t_70 19]

## （二）由Runnable接口实现多线程 ##

**1、创建一个StudentRunnable类实现Runnable接口**

/** * @Auther: truedei * @Date: 2020 /20-7-24 23:12 * @Description: */
    public class StudentRunnable implements  Runnable { 
    
    
        private Student student;
    
        public StudentRunnable(Student student) { 
            this.student = student;
        }
    
        public StudentRunnable() { 
    
        }
    
        @Override
        public void run() { 
            for (int i = 0; i < 100; i++) { 
                System.out.println("【"+this.student.getName()+"】在查数-->"+i);
            }
        }
    }

**2、创建测试类：**

/** * @Auther: truedei * @Date: 2020 /20-7-24 23:02 * @Description: */
    public class StudentRunnableTest { 
    
        public static void main(String[] args) { 
    
            Student xiaohong = new Student("小红");
            Student xiaoming = new Student("小明");
    
            StudentRunnable st1 = new StudentRunnable(xiaohong);
            StudentRunnable st2 = new StudentRunnable(xiaoming);
    
            Thread t1 = new Thread(st1);
            t1.start();
    
            Thread t2 = new Thread(st2);
            t2.start();
    
        }
    }

执行结果都是和第一种是差不多的。

![在这里插入图片描述][20200724234809401.png]

# 六、进程和多线程面试题总结 #

## （一）来源阿里巴巴(Java方向面经) ##

### 1、进程和线程的概念 ###

**答：**

`进程（process）是资源分配的最小单位`；

`线程（thread）是CPU调度的最小单位`。

### 2、进程或者线程的三个状态 ###

**答：**

> 我们要知道：进程有三种基本状态： `进程在生命消亡前处于且仅处于三种基本状态之一`；

> **不同系统设置的进程状态数目不同(但都基于三种基本状态)**

**（1）进程的三种基本状态**

1、`就绪状态（Ready）`：存在于处理机调度队列中的那些进程，它们已经准备就绪，一旦得到CPU，就立即可以运行。这些进程所处的状态为就绪状态。

2、`运行状态（Running）`：正在运行的进程所处的状态为运行状态。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE3NjIzMzYz_size_16_color_FFFFFF_t_70 20]

**（2）进程的三种基本状态的转换**

三种基本状态的转换如下：

从`就绪态`–>到`运行态`；

从`运行态`–>到`就绪态`;

从`运行态`–>到`阻塞态`;

从`阻塞态`–>到`就绪态`。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE3NjIzMzYz_size_16_color_FFFFFF_t_70 21]

一般了解到三状态就够了。当然了，还有五状态、七状态、九状态。这些都是在三状态的基础上扩展的，所以是三状态是最重要的。

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE3NjIzMzYz_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20230208/1644959b920649c4b7f908f1f861e364.png
[http_www.ruanyifeng.com_blog_2013_04_processes_and_threads.html]: http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/04/processes_and_threads.html
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE3NjIzMzYz_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20230208/05609f4e18a34f50822b0bce95297ce6.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE3NjIzMzYz_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20230208/da1253a640df48a5b1eac88577145120.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE3NjIzMzYz_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: /images/20230208/289af061806f4c8fa5257219b59af225.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE3NjIzMzYz_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]: /images/20230208/f36b35ae37eb48a4b66853d0aa5b4292.png
[20200724234322846.jpg]: /images/20230208/6f3ece93278846ff8523d1e6f9e4b3fe.png
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