Java深入理解并发、线程、与等待通知机制(一)

并发编程概述

• 并发编程的重要性

  • 大厂招聘要求掌握多线程编程能力。
  • 并发编程是升职加薪的重要技能之一。
  • 并发提升响应速度、实现异步化、充分利用CPU资源。

• 单核与多核处理

  • 即使在单核处理器上，也可通过并发实现多个任务交替执行。
  • 多核处理器下，并发能真正实现并行执行。

• QQ/微信并发示例

  • 输入文字、发送消息、接收信息三者同时发生，体现并发特性。
  • 若使用单线程，则需串行完成以上操作，用户体验差。

进程与线程概念解析

• 进程定义

  • 进程是一个程序的实例，包含指令、内存管理、I/O操作等。
  • 类比面向对象中类与对象的关系，程序是类，进程是对象。
  • 进程是操作系统中资源分配的最小单位。

• 线程定义

  • 线程是操作系统中CPU调度的最小单位。
  • 一个进程中可以包含多个线程，但线程必须依附于进程存在。
  • Linux早期无独立线程概念，后称为轻量级进程（LWP）。

• Java中的线程机制

  • JVM本身作为一个进程，内部自动启动多个线程，如主线程、Finalizer线程、Reference Handler线程等。
  • 即使是最简单的Java程序，也会默认启动多个线程。

进程间通信方式

• 常见IPC机制
  • 管道（Pipe）：分为匿名管道（父子进程通信）与命名管道（任意两个进程通信）。
  • 信号（Signal）：用于向应用程序发送特定事件通知。
  • 消息队列（Message Queue）：类似MQ，用于进程间传递消息。
  • 共享内存（Shared Memory）：多个进程访问同一块内存区域，效率高但需同步控制。
  • 信号量（Semaphore）：用于控制对共享资源的访问。
  • 套接字（Socket）：支持跨机器通信，也可用于本地进程通信（Unix Domain Socket）。

CPU核心与线程关系

• 物理核心与逻辑处理器

  • 物理核心数决定实际并行能力。
  • 逻辑处理器来自超线程技术，允许一个物理核心模拟多个逻辑核心。

• Runtime类获取核心数

  • Runtime.getRuntime().availableProcessors() 返回的是逻辑处理器数量。
  • 不同架构平台（Intel vs AMD/ARM）返回结果可能不同。

上下文切换原理

• 上下文切换定义

  • 操作系统保存当前线程状态并加载另一个线程状态的过程。
  • 包括寄存器、程序计数器、缓存数据等。

• 上下文切换代价

  • 一次上下文切换通常需要约5,000~20,000个时钟周期。
  • 相较之下，普通指令执行只需几个到几十个时钟周期。

• 性能调优建议

  • 上下文切换频繁会导致性能下降。
  • 使用工具如vmstat、pidstat监控切换频率。

并发与并行区别

• 并行（Parallelism）

  • 同一时刻执行多个任务。
  • 依赖多核CPU，如两个队伍同时使用两台售货机。

• 并发（Concurrency）

  • 一段时间内交替执行多个任务。
  • 如一个售货机被两个队伍轮流使用。
  • 体现为时间片轮转下的"看似同时"。

Java线程创建方式

• 继承Thread类

  • 创建子类并重写run()方法。
  • 实例化后调用start()启动线程。

• 实现Runnable接口

  • 实现run()方法，传入Thread构造器。
  • 更推荐使用，避免类继承限制。

• Callable + FutureTask

  • Callable<V>提供返回值，适用于需要结果的任务。
  • FutureTask包装Callable，作为Runnable传入线程。
  • 通过future.get()获取异步执行结果。

线程终止方式

• 自然终止

  • run()方法执行完毕。
  • 抛出未捕获异常导致提前结束。

• 强制终止（不推荐）

  • stop()、suspend()、resume()等方法已废弃。
  • 原因：不会释放资源，易造成死锁、文件损坏等问题。

• 中断机制（推荐）

  • 调用interrupt()设置中断标志位为true。
  • 线程主动检查isInterrupted()或interrupted()状态。
  • 阻塞方法（如sleep()、get()）抛出InterruptedException，可响应中断。

线程启动与运行区别

• start()方法

  • 启动新线程，在JVM中注册并与操作系统线程绑定。
  • 只能调用一次，否则抛出IllegalThreadStateException。

• run()方法

  • 普通方法，直接调用仅在当前线程中执行。
  • 可重复调用，不影响线程状态。
  • 示例：调用thread.run()将在主线程中执行