一、了解進程、線程模型

每次學習一個新技術，我會先去了解這個技術的背景，這個過程看似浪費時間，其實在后續(xù)的學習過程中，能夠促進理解很多問題。所以對于線程這個概念，我會先從操作系統(tǒng)講起。因為操作系統(tǒng)的發(fā)展帶來了軟件層面的變革。

從多線程的發(fā)展來看，可以操作系統(tǒng)的發(fā)展分為三個歷史階段：

• 真空管和穿孔卡片
• 晶體管和批處理系統(tǒng)
• 集成電路和多道程序設計

最早的計算機只能解決簡單的數(shù)學運算問題，比如正弦、余弦等。運行方式：程序員首先把程序?qū)懙郊埳希缓蟠┛壮煽ㄆ保侔芽ㄆ袔氲綄ｉT的輸入室。輸入室會有專門的操作員將卡片的程序輸入到計算機上。計算機運行完當前的任務以后，把計算結(jié)果從打印機上進行輸出，操作員再把打印出來的結(jié)果送入到輸出室，程序員就可以從輸出室取到結(jié)果。然后，操作員再繼續(xù)從已經(jīng)送入到輸入室的卡片盒中讀入另一個任務重復上述的步驟。

操作員在機房里面來回調(diào)度資源，造成計算機存在大量的空閑狀態(tài) 。而當時的計算機是非常昂貴的，人們?yōu)榱藴p少這種資源的浪費。就采用了 批處理系統(tǒng)來解決

批處理操作系統(tǒng)的運行方式：在輸入室收集全部的作業(yè)，然后用一臺比較便宜的計算機把它們讀取到磁帶上。然后把磁帶輸入到計算機，計算機通過讀取磁帶的指令來進行運算，最后把結(jié)果輸出磁帶上。批處理操作系統(tǒng)的好處在于，計算機會一直處于運算狀態(tài)，合理的利用了計算機資源。(運行流程如下圖所示)

(注：此圖來源于現(xiàn)代操作系統(tǒng))

批處理操作系統(tǒng)雖然能夠解決計算機的空閑問題，但是當某一個作業(yè)因為等待磁盤或者其他I/O操作而暫停，那CPU就只能阻塞直到該I/O完成，對于CPU操作密集型的程序，I/O操作相對較少，因此浪費的時間也很少。但是對于I/O操作較多的場景來說，CPU的資源是屬于嚴重浪費的。

多道程序設計的出現(xiàn)解決了這個問題，就是把內(nèi)存分為幾個部分，每一個部分放不同的程序。當一個程序需要等待I/O操作完成時。那么CPU可以切換執(zhí)行內(nèi)存中的另外一個程序。如果內(nèi)存中可以同時存放足夠多的程序，那CPU的利用率可以接近100%。

在這個時候，引入了第一個概念- 進程, 進程的本質(zhì)是一個正在執(zhí)行的程序，程序運行時系統(tǒng)會創(chuàng)建一個進程，并且給每個進程分配獨立的內(nèi)存地址空間保證每個進程地址不會相互干擾。同時，在CPU對進程做時間片的切換時，保證進程切換過程中仍然要從進程切換之前運行的位置出開始執(zhí)行。所以進程通常還會包括程序計數(shù)器、堆棧指針。

有了進程以后，可以讓操作系統(tǒng)從宏觀層面實現(xiàn)多應用并發(fā)。而并發(fā)的實現(xiàn)是通過CPU時間片不端切換執(zhí)行的。對于單核CPU來說，在任意一個時刻只會有一個進程在被CPU調(diào)度

有了進程以后，為什么還會出現(xiàn)線程呢?

在一個應用進程中，會存在多個同時執(zhí)行的任務，如果其中一個任務被阻塞，將會引起不依賴該任務的任務也被阻塞。舉個具體的例子來說，我們平常用word文檔編輯內(nèi)容的時候，都會有一個自動保存的功能，這個功能的作用是，當計算機出現(xiàn)故障的情況下如果用戶未保存文檔，則能夠恢復到上一次自動保存的點。假設word的自動保存因為磁盤問題導致寫入較慢，勢必會影響到用戶的文檔編輯功能，直到磁盤寫入完成用戶才可編輯，這種體驗是很差的。如果我們把一個進程中的多個任務通過線程的方式進行隔離，那么按照前面提到的進程演進的理論來說，在單核心CPU架構(gòu)中可以通過CPU的時間片切換實現(xiàn)線程的調(diào)度充分利用CPU資源以達到最大的性能。

我們用了比較長的篇幅介紹了進程、線程發(fā)展的歷史。總的來說是人們對于計算機的要求越來越高;對于計算機本身的資源的利用率也在不斷提高。

二、線程的優(yōu)勢

前面分析了線程的發(fā)展歷史，這里簡單總結(jié)一下線程有的優(yōu)勢如下：

• 線程可以認為是輕量級的進程，所以線程的創(chuàng)建、銷毀要比進程更快
• 從性能上考慮，如果進程中存在大量的I/O處理，通過多線程能夠加快應用程序的執(zhí)行速度(通過CPU時間片的快速切換)。
• 由于線程是CPU的最小調(diào)度單元，所以在多CPU架構(gòu)中能夠?qū)崿F(xiàn)真正的并行執(zhí)行。每一個CPU可以調(diào)度一個線程

這里有兩個概念很多人沒有搞明白，就是并行和并發(fā)：

并行：同時執(zhí)行多個任務，在多核心CPU架構(gòu)中，一個CPU核心運行一個線程，那么4核心CPU，可以同時執(zhí)行4個線程

并發(fā)：同處理多個任務的能力,通常我們會通過TPS或者QPS來表示某某系統(tǒng)支持的并發(fā)數(shù)是多少。

總的來說，并行是并發(fā)的子集。也就是說我們可以寫一個擁有多線程并行的程序，如果在沒有多核心CPU來執(zhí)行這些線程，那就不能以并行的方式來運行程序中的多個線程。所以并發(fā)程序可以是并行的，也可以不是。Erlang之父Joe Armstrong通過一張圖型的方式來解釋并發(fā)和并行的區(qū)別，圖片如下

三、線程的生命周期

線程是存在生命周期的，從線程的創(chuàng)建到銷毀，可能會經(jīng)歷6種不同的狀態(tài)，但是在一個時刻線程只能處于其中一種狀態(tài)。

• NEW：初始狀態(tài)，線程被創(chuàng)建時候的狀態(tài)，還沒有調(diào)用start方法
• RUNNABLE：運行狀態(tài)，運行狀態(tài)包含就緒和運行兩種狀態(tài)，因為線程啟動以后，并不是立即執(zhí)行，而是需要通過調(diào)度去分配CPU時間片
• BLOCKED：阻塞狀態(tài)，當線程去訪問一個加鎖的方法時，如果已經(jīng)有其他線程獲得鎖，那么當前線程會處于阻塞狀態(tài)
• WAITING：等待狀態(tài)，設置線程進入等待狀態(tài)等待其他線程做一些特定的動作進行觸發(fā)
• TIME_WAITING：超時等待狀態(tài)，和WAITING狀態(tài)的區(qū)別在于超時以后自動返回
• TERMINATED：終止狀態(tài)，線程執(zhí)行完畢

下圖整理了線程的狀態(tài)變更過程及變更的操作，每一個具體的操作原理，我會在后續(xù)的文章中進行詳細分析。

這里有一個問題大家可能搞不明白，BLOCKED和WAITING這兩個阻塞有什么區(qū)別?

• BLOCKED狀態(tài)是指當前線程在等待一個獲取鎖的操作時的狀態(tài)。
• WAITING是通過Object.wait或者Thread.join、LockSupport.park等操作實現(xiàn)的
• BLOCKED是被動的標記，而WAITING是主動操作
• 如果說得再深入一點，處于WAITING狀態(tài)的線程，被喚醒以后，需要進入同步隊列去競爭鎖操作，而在同步隊列中，如果已經(jīng)有其他線程持有鎖，則線程會處于BLOCKED狀態(tài)。所以可以說BLOCKED狀態(tài)是處于WAITING狀態(tài)的線程重新喚醒的必經(jīng)的狀態(tài)

四、線程的應用場景

線程的出現(xiàn)，在多核心CPU架構(gòu)下實現(xiàn)了真正意義上的并行執(zhí)行。也就是說，一個進程內(nèi)多個任務可以通過多線程并行執(zhí)行來提高程序運行的性能。那線程的使用場景有哪些呢?

• 執(zhí)行后臺任務，在很多場景中，可能會有一些定時的批量任務，比如定時發(fā)送短信、定時生成批量文件。在這些場景中可以通過多線程的來執(zhí)行
• 異步處理，比如在用戶注冊成功以后給用戶發(fā)送優(yōu)惠券或者短信，可以通過異步的方式來執(zhí)行，一方面提升主程序的執(zhí)行性能;另一方面可以解耦核心功能，防止非核心功能對核心功能造成影響
• 分布式處理，比如fork/join，將一個任務拆分成多個子任務分別執(zhí)行
• BIO模型中的線程任務分發(fā)，也是一種比較常見的使用場景，一個請求對應一個線程

合理的利用多線程，可以提升程序的吞吐量。同時，還可以通過增加CPU的核心數(shù)來提升程序的性能，這就體現(xiàn)了伸縮性的特點。