Java多線程基礎：進程和線程之由來

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　　在前面，已經介紹了Java的基礎知識，現在我們來討論一點稍微難一點的問題：Java並發編程。當然，Java並發編程涉及到很多方面的內容，不是一朝一夕就能夠融會貫通使用的，需要在實踐中不斷積累。由於並發肯定涉及到多線程，因此在進入並發編程主題之前，我們先來瞭解一下進程和線程的由來，這對後面對並發編程的理解將會有很大的協助。

　　下面是本文的目錄大綱：

　　一.作業系統中為什麼會出現進程？

　　二.為什麼會出現線程？

　　三.多線程並發

　　若有不正之處，請多多諒解並歡迎指正。

 

一.作業系統中為什麼會出現進程？

　　說起進程的由來，我們需要從作業系統的發展曆史談起。

　　也許在今天，我們無法想象在很多年以前電腦是什麼樣子。我們現在可以用電腦來做很多事情：辦公、娛樂、上網，但是在電腦剛出現的時候，是為瞭解決數學計算的問題，因為很多大量的計算通過人力去完成是很耗時間和人力成本的。在最初的時候，電腦只能接受一些特定的指令，使用者輸入一個指令，電腦就做一個操作。當使用者在思考或者輸入資料時，電腦就在等待。顯然這樣效率和很低下，因為很多時候，電腦處於等待使用者輸入的狀態。

　　那麼能不能把一系列需要操作的指令預先寫下來，形成一個清單，然後一次性交給電腦，電腦不斷地去讀取指令來進行相應的操作？就這樣，批處理作業系統誕生了。使用者可以將需要執行的多個程式寫在磁帶上，然後交由電腦去讀取並逐個地執行這些程式，並將輸出結果寫到另一個磁帶上。

　　雖然批處理作業系統的誕生極大地提高了任務處理的便捷性，但是仍然存在一個很大的問題：

　　假如有兩個任務A和B，任務A在執行到一半的過程中，需要讀取大量的資料輸入（I/O操作），而此時CPU只能靜靜地等待任務A讀取完資料才能繼續執行，這樣就白白浪費了CPU資源。人們於是想，能否在任務A讀取資料的過程中，讓任務B去執行，當任務A讀取完資料之後，讓任務B暫停，然後讓任務A繼續執行？

　　但是這樣就有一個問題，原來每次都是一個程式在電腦裡面運行，也就說記憶體中始終只有一個程式的運行資料。而如果想要任務A執行I/O操作的時候，讓任務B去執行，必然記憶體中要裝入多個程式，那麼如何處理呢？多個程式使用的資料如何進行辨別呢？並且當一個程式運行暫停後，後面如何恢複到它之前執行的狀態呢？

　　這個時候人們就發明了進程，用進程來對應一個程式，每個進程對應一定的記憶體位址空間，並且只能使用它自己的記憶體空間，各個進程間互不干擾。並且進程儲存了程式每個時刻的運行狀態，這樣就為進程切換提供了可能。當進程暫時時，它會儲存當前進程的狀態（比如進程標識、進程的使用的資源等），在下一次重新切換回來時，便根據之前儲存的狀態進行恢複，然後繼續執行。

　　這就是並發，能夠讓作業系統從宏觀上看起來同一個時間段有多個任務在執行。換句話說，進程讓作業系統的並發成為了可能。

　　注意，雖然並發從宏觀上看有多個任務在執行，但是事實上，任一個具體的時刻，只有一個任務在佔用CPU資源（當然是對於單核CPU來說的）。

二.為什麼會出現線程？

　　在出現了進程之後，作業系統的效能得到了大大的提升。雖然進程的出現解決了作業系統的並發問題，但是人們仍然不滿足，人們逐漸對即時性有了要求。因為一個進程在一個時間段內只能做一件事情，如果一個進程有多個子任務，只能逐個地去執行這些子任務。比如對於一個監控系統來說，它不僅要把映像資料顯示在畫面上，還要與服務端進行通訊擷取映像資料，還要處理人們的互動操作。如果某一個時刻該系統正在與伺服器通訊擷取映像資料，而使用者又在監控系統上點擊了某個按鈕，那麼該系統就要等待擷取完映像資料之後才能處理使用者的操作，如果擷取映像資料需要耗費10s，那麼使用者就只有一直在等待。顯然，對於這樣的系統，人們是無法滿足的。

　　那麼可不可以將這些子任務分開執行呢？即在系統擷取映像資料的同時，如果使用者點擊了某個按鈕，則會暫停擷取映像資料，而先去響應使用者的操作（因為使用者的操作往往執行時間很短），在處理完使用者操作之後，再繼續擷取映像資料。人們就發明了線程，讓一個線程去執行一個子任務，這樣一個進程就包括了多個線程，每個線程負責一個獨立的子任務，這樣在使用者點擊按鈕的時候，就可以暫停擷取映像資料的線程，讓UI線程響應使用者的操作，響應完之後再切換回來，讓擷取映像的線程得到CPU資源。從而讓使用者感覺系統是同時在做多件事情的，滿足了使用者對即時性的要求。

　　換句話說，進程讓作業系統的並發性成為可能，而線程讓進程的內部並發成為可能。

　　但是要注意，一個進程雖然包括多個線程，但是這些線程是共同享有進程佔有的資源和地址空間的。進程是作業系統進行資源分派的基本單位，而線程是作業系統進行調度的基本單位。

三.多線程並發

　　由於多個線程是共同佔有所屬進程的資源和地址空間的，那麼就會存在一個問題：

　　如果多個線程要同時訪問某個資源，怎麼處理？

　　這個問題就是後序文章中要重點講述的同步問題。

　　那麼可能有朋友會問，現在很多時候都採用多線程編程，那麼是不是多線程的效能一定就由於單線程呢？

　　不一定，要看具體的任務以及電腦的配置。比如說：

　　對於單核CPU，如果是CPU密集型任務，如解壓檔案，多線程的效能反而不如單線程效能，因為解壓檔案需要一直佔用CPU資源，如果採用多線程，線程切換導致的開銷反而會讓效能下降。

　　但是對於比如互動類型的任務，肯定是需要使用多線程的、

　　而對於多核CPU，對於解壓檔案來說，多線程肯定優於單線程，因為多個線程能夠更加充分利用每個核的資源。

　　雖然多線程能夠提升程式效能，但是相對於單線程來說，它的編程要複雜地多，要考慮安全執行緒問題。因此，在實際編程過程中，要根據實際情況具體選擇。

　　關於進程和線程的由來，暫時就講這麼多了，感興趣的朋友可以參考相關資料。

Java多線程基礎：進程和線程之由來