【Java八股面试系列】并发编程-进程与线程

在jdk1.2之前，Java线程是基于绿色线程（Green Threads）实现的，这是一种用户级线程（用户线程），也就是说 JVM 自己模拟了多线程的运行，而不依赖于操作系统。。由于绿色线程和原生线程比起来在使用时有一些限制（比如绿色线程不能直接使用操作系统提供的功能如异步 I/O、只能在一个内核线程上运行无法利用多核），在 JDK 1.2 及以后，Java 线程改为基于原生线程（Native Threads）实现，也就是说 JVM 直接使用操作系统原生的内核级线程（内核线程）来实现 Java 线程，由操作系统内核进行线程的调度和管理。

用户线程和内核线程

现在的 Java 线程的本质其实就是操作系统的线程。

请简要描述一下进程和线程在Java中的关系，区别及优缺点？

在Jvm虚拟机中，内存区域的分布和共享情况如下：

【Java八股面试系列】并发编程-进程与线程-LMLPHP

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。

为什么虚拟机栈，程序计数器和本地方法栈是线程私有的？

程序计数器为什么是私有的?

首先看程序计数器的功能是记录当前代码的执行位置和执行顺序，我们多线程的执行条件下，每个线程的执行的代码和顺序都可能是不一样的。所以程序计数器是私有的需要记录下自己的代码执行位置。

虚拟机栈和本地方法栈为什么是私有的?

虚拟机栈功能： 每个 Java 方法在执行之前会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、常量池引用等信息。从方法调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在 Java 虚拟机栈中入栈和出栈的过程。
本地方法栈功能： 和虚拟机栈所发挥的作用非常相似，区别是：虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。 在 HotSpot 虚拟机中和 Java 虚拟机栈合二为一。

所以，为了保证线程中的局部变量不被别的线程访问到，虚拟机栈和本地方法栈是线程私有的。

并发和并行的区别

并发：两个及两个以上的作业在同一 时间段 内执行。
并行：两个及两个以上的作业在同一时刻执行。

最关键的点是：是否是同时执行。

为什么要使用多线程?

最直接的就是提升程序性能，使用多线程可以充分利用硬件资源，同时执行多个任务，从而提高程序的整体性能。通过并行执行任务，可以将工作负载分布到多个线程上，从而更有效地利用 CPU 资源。
提高响应性：可以将长时间处理的请求放在后台另一个线程进行处理，不妨碍主线程的用户执行其他的请求
实现并发编程：现在的工作中，多线程是并发编程的一种重要方式。利用好多线程机制可以大大提高系统整体的并发能力以及性能。

多线程带来的问题？

内存泄漏（ThreadLocal变量），线程不安全等问题

如何理解线程安全和不安全？

线程安全和不安全是在多线程环境下对于同一份数据的访问是否能够保证其正确性和一致性的描述。

线程安全指的是在多线程环境下，对于同一份数据，不管有多少个线程同时访问，都能保证这份数据的正确性和一致性。
线程不安全则表示在多线程环境下，对于同一份数据，多个线程同时访问时可能会导致数据混乱、错误或者丢失。

单核 CPU 上运行多个线程效率一定会高吗？

单核 CPU 同时运行多个线程的效率是否会高，取决于线程的类型和任务的性质。一般来说，有两种类型的线程：CPU 密集型和 IO 密集型。CPU 密集型的线程主要进行计算和逻辑处理，需要占用大量的 CPU 资源。IO 密集型的线程主要进行输入输出操作，如读写文件、网络通信等，需要等待 IO 设备的响应，而不占用太多的 CPU 资源。

在单核 CPU 上，同一时刻只能有一个线程在运行，其他线程需要等待 CPU 的时间片分配。如果线程是 CPU 密集型的，那么多个线程同时运行会导致频繁的线程切换，增加了系统的开销，降低了效率。如果线程是 IO 密集型的，那么多个线程同时运行可以利用 CPU 在等待 IO 时的空闲时间，提高了效率。

因此，对于单核 CPU 来说，如果任务是 CPU 密集型的，那么开很多线程会影响效率；如果任务是 IO 密集型的，那么开很多线程会提高效率。当然，这里的“很多”也要适度，不能超过系统能够承受的上限。

线程的生命周期

Java 线程在运行的生命周期中的指定时刻只可能处于下面 6 种不同状态的其中一个状态：

NEW: 初始状态，线程被创建出来但没有被调用 start() 。
RUNNABLE: 运行状态，线程被调用了 start()等待运行的状态。
BLOCKED：阻塞状态，需要等待锁释放。
WAITING：等待状态，表示该线程需要等待其他线程做出一些特定动作（通知或中断）。
TIME_WAITING：超时等待状态，可以在指定的时间后自行返回而不是像 WAITING 那样一直等待。
TERMINATED：终止状态，表示该线程已经运行完毕。

什么是线程上下文切换?

线程在执行过程中会有自己的运行条件和状态（也称上下文），比如上文所说到过的程序计数器，栈信息等。当出现如下情况的时候，线程会从占用 CPU 状态中退出。

主动让出 CPU，比如调用了 sleep(), wait() 等。
时间片用完，因为操作系统要防止一个线程或者进程长时间占用 CPU 导致其他线程或者进程饿死。
调用了阻塞类型的系统中断，比如请求 IO，线程被阻塞。
被终止或结束运行

这其中前三种都会发生线程切换，线程切换意味着需要保存当前线程的上下文，留待线程下次占用 CPU 的时候恢复现场。并加载下一个将要占用 CPU 的线程上下文。这就是所谓的 上下文切换。

上下文切换是现代操作系统的基本功能，因其每次需要保存信息恢复信息，这将会占用 CPU，内存等系统资源进行处理，也就意味着效率会有一定损耗，如果频繁切换就会造成整体效率低下。

sleep() 方法和 wait() 方法对比

共同点：两者都可以暂停线程的执行。

区别：

sleep() 方法没有释放锁，而 wait() 方法释放了锁 。
wait() 通常被用于线程间交互/通信，sleep()通常被用于暂停执行。
wait() 方法被调用后，线程不会自动苏醒，需要别的线程调用同一个对象上的 notify()或者 notifyAll() 方法。sleep()方法执行完成后，线程会自动苏醒，或者也可以使用 wait(long timeout) 超时后线程会自动苏醒。
sleep() 是 Thread 类的静态本地方法，wait() 则是 Object 类的本地方法。为什么这样设计呢？下一个问题就会聊到。

为什么 wait() 方法不定义在 Thread 中？

wait() 是让获得对象锁的线程实现等待，会自动释放当前线程占有的对象锁。每个对象（Object）都拥有对象锁，既然要释放当前线程占有的对象锁并让其进入 WAITING 状态，自然是要操作对应的对象（Object）而非当前的线程（Thread）。

类似的问题：为什么 sleep() 方法定义在 Thread 中？

因为 sleep() 是让当前线程暂停执行，不涉及到对象类，也不需要获得对象锁。

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