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java中进程的详细解析(含实例代码)

操作系统通过进程控制块(PCB)描述和组织进程,利用分时复用实现并发执行。进程是资源分配的基本单位,线程是轻量级进程,共享进程资源,创建销毁开销小,但过多线程会增加上下文切换开销,且未捕获异常会导致整个进程终止。

本文目录

    一、操作系统

    操作系统是计算机中的一个重要软件。

    ja va中进程的详细解析(含实例代码)

    说到操作系统,它本质上是一个搞管理的软件。管什么呢?管各种硬件设备,同时给应用程序提供一个稳定的运行环境——即便某个程序崩溃了,也不会影响其他程序继续执行。这才是操作系统最核心的价值所在。

    操作系统中一个非常重要的概念:进程。

    简单来说,运行起来的程序就叫进程。站在操作系统的角度,怎么管理这些进程呢?无非两步:第一步,先描述——用结构体把进程的核心属性都记录下来,这个结构体就是进程控制块(PCB),它非常大,属性非常多。第二步,再把多个进程组织起来——比如Linux操作系统就用链表的方式,把每个PCB串在一起。这样一来,整个管理体系就通顺了。

    别忘了,操作系统本身也是一个软件,也是由一系列指令构成的。启动时,CPU依次执行操作系统上的指令(引导操作系统起来)。所有的软件本质上都得靠CPU来执行,而CPU具体执行哪些指令,一定程度上受操作系统的影响。

    另外,进程在运行过程中,经常需要和硬盘打交道。硬盘上的数据都是以文件的形式组织的,进程读写文件时就得先打开文件。每个打开的文件相关信息都保存在文件描述符中,每一项对应一份打开的文件。有意思的是,操作系统会把很多资源抽象成文件来表示——比如网卡,操作系统管理网卡时,也是当作“文件”一样来管理的。

    二、进程的运行

    进程的运行自然离不开硬盘、网卡等硬件设备,但执行指令的核心还是CPU。

    进程是操作系统中负责分配CPU的基本单位。这里有一个关键机制叫分时复用:把一个单位时间切成很多份,分别执行不同进程的指令——第一份执行进程1,第二份执行进程2……因为CPU运行速度极快,人眼根本察觉不到切换,看起来就像同时执行一样。

    • 如果多个进程在一个CPU核心上轮流执行,这叫“并发执行”。
    • 如果多个进程在多个CPU核心上同时执行,这叫“并行执行”。

    进程的状态也很有讲究。常见的有:新建(New)、可运行(RUNNABLE)、阻塞(BLOCKED)、等待(WAITING)、超时等待(TIMED_WAITING)、终止(TERMINATED)。其中两个典型状态是:就绪状态——随时可以到CPU上执行;阻塞状态——当前不适合到CPU上执行。

    进程还有优先级,这是为了保证需要大量CPU资源的进程能正常执行。此外,因为存在进程调度,一个进程执行一会就得让出CPU,所以需要保存上次执行的“上下文”——包括CPU寄存器中记录的中间状态。这些信息会被存放在内存中的PCB里,恢复时再把PCB中保存的属性填回寄存器。

    最后还有记账信息,其实就是统计功能——统计每个进程在CPU上运行了多久。如果发现某个进程很久没吃到CPU资源,系统就会给它资源倾斜,防止它饿死。

    三、多线程

    进程整体是一个比较“重”的概念,创建和销毁进程的开销都很大。为了解决这个问题,引入了线程——也就是轻量级进程,创建和销毁的开销小得多。

    每个进程都相当于一个要执行的任务,每个线程也是一个要执行的任务。进程包含线程,每个进程里至少有一个或多个线程。进程是操作系统资源分配的基本单位,进程内部所包含的多个线程之间,会共享内存资源、硬盘资源和网络带宽。

    进程创建时需要申请资源,销毁时释放资源——这属于重量级操作,代价大、耗时长。但对于线程来说,只有第一个线程创建时(和进程一起创建)会申请资源,后续再创建线程就不再手动申请资源了。只有当所有线程都销毁(即进程销毁)时,资源才会被释放。换句话说,资源在进程创建时就一次性分配好了,后续线程的创建和销毁都在这一层进行,只有进程被销毁,这些资源才会被回收。

    关于线程的调度,是随机的,我们的程序感知不到,也干预不了。

    那怎么提高效率?

    引入更多线程确实能提升效率,但资源就那么多。引入过多线程时,上下文切换的开销会随之增长,调度开销反而会拖累程序性能。更要命的是,如果一个线程抛出异常且没有被捕获,会直接带走整个进程,所有线程都无法继续运行。所以,多线程并不是越多越好,需要权衡。

    下面看两种常见的线程创建方式:

    • 继承Thread,重写run方法
    class MyThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("hello");
            try{
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                // throw new RuntimeException(e); // 处理异常的手段:抛出异常,导致程序异常终止
                break;
            }
        }
    }
    
    public class Test {
        public static void main(String[] args) {
            Thread t = new MyThread();
            t.start(); // 开启线程
        }
    }
    

    其中 Thread.sleep() 会让线程休眠。注意:Thread.sleep(0) 不是休眠0毫秒,而是让当前线程主动放弃CPU资源,给别的线程用。另外,在 run() 方法内,Thread.sleep() 会抛出 InterruptedException,但无法用 throws 声明,只能使用 try{} catch{} 来捕获。

    • 每个线程调度的顺序是随机的,无法预测——也就是“抢占式执行”。

    创建线程的另一种方法:

    1. 继承 Thread,重写 run
    2. 实现 Runnable 接口,重写 run

    看个例子:

    class MyRunnable implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("我自己的 Runnable 的 run 方法");
        }
    }
    public class Deano01 {
        public static void main(String[] args) {
            Runnable r1 = new MyRunnable();
            Thread t1 = new Thread(new MyRunnable());
            Thread t2 = new Thread(r1);
            t1.start();
            t2.start();
        }
    }
    
    class MyThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("我自己的 Thread 的 run 方法");
        }
    }
    public class Deano01 {
        public static void main(String[] args) {
            // 1. 自己实现一个自己的Thread类
            Thread t = new MyThread();
            t.start();
            // 2. 使用 lambda 表达式
            Thread t1 = new Thread(() -> {
                System.out.println("我自己的 Thread 的 run 方法");
            });
        }
    }
    

    Runnable 接口里只有一个无参返回值的 run 方法,所以可以用 lambda 表达式直接写 () -> { 要执行的代码 },括号里没有参数。

    总结

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