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————— 第二天 —————

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什么是进程和线程

有一定基础的小伙伴们肯定都知道进程和线程。

进程是什么呢?

直白地讲,进程就是应用程序的启动实例。比如我们运行一个游戏,打开一个软件,就是开启了一个进程。

进程拥有代码和打开的文件资源、数据资源、独立的内存空间。

线程又是什么呢?

线程从属于进程,是程序的实际执行者。一个进程至少包含一个主线程,也可以有更多的子线程。

线程拥有自己的栈空间。

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有人给出了很好的归纳:

对操作系统来说,线程是最小的执行单元,进程是最小的资源管理单元。

无论进程还是线程,都是由操作系统所管理的。

Java 中线程具有五种状态:

初始化

可运行

运行中

阻塞

销毁

这五种状态的转化关系如下:

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但是,线程不同状态之间的转化是谁来实现的呢?是 JVM 吗?

并不是。JVM 需要通过操作系统内核中的 TCB(Thread Control Block)模块来改变线程的状态,这一过程需要耗费一定的 CPU 资源。

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进程和线程的痛点

线程之间是如何进行协作的呢?

最经典的例子就是生产者 / 消费者模式

若干个生产者线程向队列中写入数据,若干个消费者线程从队列中消费数据。

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如何用 java 语言实现生产者 / 消费者模式呢?

让我们来看一看代码:

public class ProducerConsumerTest {
	public static void main(String args[]) {
		final Queue<Integer> sharedQueue = new LinkedList();
		Thread producer = new Producer(sharedQueue);
		Thread consumer = new Consumer(sharedQueue);
		producer.start();
		consumer.start();
	}
}
class Producer extends Thread {
	private static final int MAX_QUEUE_SIZE = 5;
 
	private final Queue sharedQueue;
 
	public Producer(Queue sharedQueue) {
		super();
		this.sharedQueue = sharedQueue;
	}
 
	@Override
	public void run() {
		for (int i = 0; i < 100; i++) {
			synchronized (sharedQueue) {
				while (sharedQueue.size() >= MAX_QUEUE_SIZE) {
					System.out.println("队列满了,等待消费");
					try {
						sharedQueue.wait();
					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					}
				}
				sharedQueue.add(i);
				System.out.println("进行生产 : " + i);
				sharedQueue.notify();
			}
		}
	}
}
class Consumer extends Thread {private final Queue sharedQueue;
	public Consumer(Queue sharedQueue) {
		super();
		this.sharedQueue = sharedQueue;
	}
	@Override
	public void run() {
		while(true) {
			synchronized (sharedQueue) {
				while (sharedQueue.size() == 0) {
					try {
						System.out.println("队列空了,等待生产");
						sharedQueue.wait();
					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					}
				}
				int number = sharedQueue.poll();
				System.out.println("进行消费 : " + number );
				sharedQueue.notify();
			}
		}
	}
}

这段代码做了下面几件事:

  1. 定义了一个生产者类,一个消费者类。

  2. 生产者类循环 100 次,向同步队列当中插入数据。

  3. 消费者循环监听同步队列,当队列有数据时拉取数据。

  4. 如果队列满了(达到 5 个元素),生产者阻塞。

  5. 如果队列空了,消费者阻塞。

上面的代码正确地实现了生产者 / 消费者模式,但是却并不是一个高性能的实现。为什么性能不高呢?原因如下:

  1. 涉及到同步锁。

  2. 涉及到线程阻塞状态和可运行状态之间的切换。

  3. 涉及到线程上下文的切换。

以上涉及到的任何一点,都是非常耗费性能的操作。

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什么是协程

** 协程,英文 Coroutines,是一种比线程更加轻量级的存在。** 正如一个进程可以拥有多个线程一样,一个线程也可以拥有多个协程。

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最重要的是,协程不是被操作系统内核所管理,而完全是由程序所控制(也就是在用户态执行)。

这样带来的好处就是性能得到了很大的提升,不会像线程切换那样消耗资源。

既然协程这么好,它到底是怎么来使用的呢?

由于 Java 的原生语法中并没有实现协程(某些开源框架实现了协程,但是很少被使用),所以我们来看一看 python 当中对协程的实现案例,同样以生产者消费者模式为例:

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这段代码十分简单,即使没用过 python 的小伙伴应该也能基本看懂。

代码中创建了一个叫做 consumer 的协程,并且在主线程中生产数据,协程中消费数据。

其中 yield 是 python 当中的语法。当协程执行到 yield 关键字时,会暂停在那一行,等到主线程调用 send 方法发送了数据,协程才会接到数据继续执行。

但是,yield 让协程暂停,和线程的阻塞是有本质区别的。协程的暂停完全由程序控制,线程的阻塞状态是由操作系统内核来进行切换。

因此,协程的开销远远小于线程的开销。

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协程的应用

有哪些编程语言应用到了协程呢?我们举几个栗子:

Lua 语言

Lua 从 5.0 版本开始使用协程,通过扩展库 coroutine 来实现。

Python 语言

正如刚才所写的代码示例,python 可以通过 yield/send 的方式实现协程。在 python 3.5 以后,async/await 成为了更好的替代方案。

Go 语言

Go 语言对协程的实现非常强大而简洁,可以轻松创建成百上千个协程并发执行。

Java 语言

如上文所说,Java 语言并没有对协程的原生支持,但是某些开源框架模拟出了协程的功能,有兴趣的小伙伴可以看一看 Kilim 框架的源码:

https://github.com/kilim/kilim

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几点补充:

1. 关于协程的概念,小灰也仅仅是知道一些皮毛,希望小伙伴们多多指正。

2. 本漫画纯属娱乐,还请大家尽量珍惜当下的工作,切勿模仿小灰的行为哦。