并发编程基础知识篇--进程和线程的区别

目录

进程和线程

进程

线程

进程与线程的区别总结

扩展小知识

程序计数器为什么是私有的?

虚拟机栈和本地方法栈为什么是私有的?

简单了解堆和方法区

多进程和多线程区别

Java中的多线程

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进程和线程

进程

在一个操作系统中，每个独立执行的程序都可称之为一个进程，也就是“正在运行的程序”。目前大部分计算机上安装的都是多任务操作系统，即能够同时执行多个应用程序，最常见的有Windows、Linux、Unix等。比如在Windows系统中，一个运行的xx.exe就是一个进程。

线程

线程是进程中的执行单元，负责当前进程中程序的执行。与进程不同，多个线程可以共享进程的堆和方法区资源，但每个线程都有自己的程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈。因此，系统在创建线程或在线程之间进行切换时的负担要比进程小得多，这也是线程被称为轻量级进程的原因。

多线程的优势在于可以实现并发执行，提高程序的效率和响应能力。通过合理地使用线程，可以同时处理多个任务，充分利用多核处理器的计算能力。然而，多线程编程也需要注意线程安全性和共享数据的正确性，避免竞态条件和数据冲突。

Java 程序天生就是多线程程序，我们可以通过 JMX 来看一下一个普通的 Java 程序有哪些线程，代码如下。

import java.lang.management.ManagementFactory;
import java.lang.management.ThreadInfo;
import java.lang.management.ThreadMXBean;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 获取 Java 线程管理 MXBean
        ThreadMXBean threadMXBean = ManagementFactory.getThreadMXBean();
        // 不需要获取同步的 monitor 和 synchronizer 信息，仅获取线程和线程堆栈信息
        ThreadInfo[] threadInfos = threadMXBean.dumpAllThreads(false, false);
        // 遍历线程信息，仅打印线程 ID 和线程名称信息
        for (ThreadInfo threadInfo : threadInfos) {
            System.out.println("[" + threadInfo.getThreadId() + "] " + threadInfo.getThreadName());
        }
    }
}

上述程序输出如下（线程的顺序可能会因为不同的环境和代码执行状态而略有差异） 

[6] Monitor Ctrl-Break  //用于监控和处理中断或异常事件。
[5] Attach Listener  //负责监听工具附加到虚拟机时发送的事件。
[4] Signal Dispatcher  //接收操作系统信号并将其分发给应用程序进行处理。
[3] Finalizer  //执行未被销毁对象的 finalize 方法，在对象被垃圾回收之前进行必要的清理操作。
[2] Reference Handler  //用于处理引用对象的垃圾回收，例如清理 ReferenceQueue 中的引用对象。
[1] main  //主线程，是程序的入口点，执行主要的业务逻辑。

进程与线程的区别总结

在引入了线程的操作系统中，一个进程通常包含多个线程，而一个传统的进程可以视为只有一个线程的任务，因此被称为重型进程（Heavy-Weight Process）。由于线程相对于进程来说更轻量级，因此又被称为轻型进程（Light-Weight Process）或进程元。

在现代操作系统中，使用多线程的方式已经成为常见的编程模型。多线程能够充分利用多核处理器的计算能力，实现并发执行，提高程序的效率和响应能力。通过合理地划分和管理线程，可以实现任务的并行处理、资源共享和协同工作。

根本区别：进程是操作系统资源分配的基本单位，而线程是处理器任务调度和执行的基本单位。

资源开销：每个进程都有独立的代码和数据空间（程序上下文），导致进程切换开销较大；而线程共享代码和数据空间，每个线程都有自己独立的运行栈和程序计数器（PC），切换开销小。

包含关系：进程内可以包含多个线程，它们共同完成任务；线程是进程的一部分。所以线程也被称为轻权进程或者轻量级进程。

内存分配：同一进程的线程共享地址空间和资源，但进程之间的地址空间和资源是相互独立的。

影响关系：一个进程崩溃不会对其他进程产生影响，但一个线程崩溃可能导致整个进程关闭，所以多进程相比多线程更加健壮。

执行过程：进程有独立的执行入口、顺序执行序列和程序出口，而线程不能独立执行，需要依赖应用程序提供多个线程执行控制。

通信速度：进程是一个程序的执行实例，拥有独立的内存空间、文件描述符和系统资源。进程之间通过进程间通信（IPC）机制进行数据交换，这会增加程序的复杂性和通信开销。一个进程可以包含多个线程，这些线程共享进程的内存空间、文件描述符和系统资源。线程之间通过共享内存进行通信，因此效率更高。

扩展小知识

一个进程中可以有多个线程，多个线程共享进程的堆和方法区 (JDK1.8 之后的元空间)资源，但是每个线程有自己的程序计数器、虚拟机栈 和 本地方法栈。

程序计数器为什么是私有的?

程序计数器（Program Counter）是一块用于存储当前线程正在执行的指令地址或指令序号的内存区域。为了保证线程之间的独立性和隔离性，程序计数器被设计为私有的，具体原因如下：

1. 线程独立性：每个线程都需要有自己独立的程序计数器来记录其执行状态，互不干扰。如果程序计数器是共享的，多个线程之间会相互干扰，导致执行流程混乱和错误。
2. 高效性：由于程序计数器是存储在寄存器中的，线程切换时不需要进行额外的上下文切换，它是访问速度最快的内存区域之一。将其设为私有的可以减少对共享内存的访问，提高指令的获取和执行效率。
3. 实现简单性：通过将程序计数器设计为私有的，可以避免锁和同步机制等复杂的实现，简化了线程调度和执行的管理。

总而言之，将程序计数器设计为线程私有的，确保了线程之间的独立性和隔离性，同时也提升了执行效率和系统的实现简洁性。

虚拟机栈和本地方法栈为什么是私有的?

虚拟机栈（Virtual Machine Stack）和本地方法栈（Native Method Stack）在Java虚拟机中用于存储线程执行方法的局部变量、方法参数、返回值以及方法调用的信息。它们被设计为私有的，原因如下：

1. 线程隔离性：每个线程需要有自己独立的栈空间来保存方法执行过程中的局部数据。如果栈是共享的，多个线程之间会相互干扰，导致数据错乱和执行逻辑混乱。
2. 安全性考虑：私有的虚拟机栈和本地方法栈可以防止恶意线程访问和篡改其他线程的数据，确保线程之间的数据访问安全。
3. 栈帧结构简单性：通过将虚拟机栈和本地方法栈设计为私有的，可以减少对共享内存的访问，简化了线程间数据传递和操作的管理，并且方便栈帧的创建和销毁。
4. 错误隔离与监控：私有的栈空间使得错误和异常的发生范围限定在当前线程内部，方便进行错误的定位和排查，并提供了对每个线程栈空间使用情况的监控和调优能力。

综上所述，将虚拟机栈和本地方法栈设计为私有的，确保了线程之间的隔离性、数据安全性，并简化了线程调度和执行过程的管理。

简单了解堆和方法区

1. 堆（Heap）是Java虚拟机用于存储对象实例和数组的区域，由所有线程共享，并且在运行时动态分配内存空间。
2. 方法区（Method Area）用于存储类的结构信息、常量、静态变量等，在虚拟机启动时创建，也是所有线程共享的，包括运行时常量池。

注意：根据Java 8及以后的规范，永久代（Permanent Generation）已被元空间（Metaspace）替代。元空间也属于方法区的一种实现，用于存放类的元数据信息。

多进程和多线程区别

多进程和多线程都是实现并发执行的方式，但它们有以下区别：

1. 资源占用：每个进程拥有独立的内存空间，而线程共享同一进程的内存空间。因此，多进程通常会占用更多的系统资源，包括内存和文件描述符等。多线程则可以更高效地利用系统资源。
2. 通信和同步：多进程间的通信比较复杂，需要使用特定的机制（如管道、消息队列、共享内存等），而多线程可以通过共享内存直接通信。另外，多线程之间可以方便地共享数据，但也需要考虑线程安全问题。
3. 创建和销毁：创建一个新进程比创建新线程开销更大，涉及到复制整个进程的地址空间、文件描述符等。销毁进程也比线程更为复杂。相比之下，创建和销毁线程的开销较小。
4. 并行性：多进程可以实现真正的并行执行，每个进程运行在独立的CPU上；而多线程在单个CPU上通过分时复用来实现并发，不同线程之间的执行是交替进行的。

综上所述，多进程适合处理密集型任务、需要隔离环境的场景；多线程适合处理IO密集型任务、需要共享数据的场景。两者各有优劣，根据具体需求选择适合的并发模型。

Java中的多线程

Java中的多线程是通过创建Thread类的对象来实现的。每个Thread类的对象代表一个处于某种状态的线程。在Java程序执行时，可以通过创建多个Thread对象，并调用它们的start()方法来启动多个线程并使其并发执行。

在Java程序的进程中，除了主线程外，还存在其他一些线程，例如垃圾回收线程（也称为后台线程）等。这些线程在JVM中运行，对于开发者来说不需要显式地创建和管理。

在多线程编程中，需要注意线程的同步与互斥，避免线程间产生竞争条件和数据访问冲突。可以使用synchronized关键字、Lock对象、volatile关键字等机制来实现线程间的同步操作。

需要注意的是，Java提供了更高级的并发编程工具和框架，如Executor框架、线程池等，用于简化多线程编程的复杂性和提高效率。