进程与线程

1. 进程概述

一般来说，一个进程由程序段、数据段和进程控制块三部分组成。进程的大致结构如图所示：

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  • 进程的大致结构程序段一般也被称为代码段。代码段是进程的程序指令在内存中的位置，包含需要执行的指令集合；
  • 数据段是进程的操作数据在内存中的位置，包含需要操作的数据集合；
  • 程序控制块（Program Control Block，PCB）包含进程的描述信息和控制信息，是进程存在的唯一标志。

PCB主要由四大部分组成：

  1. 进程的描述信息：进程ID和进程名称，进程ID是唯一的，代表进程的身份；进程状态，比如运行、就绪、阻塞；进程优先级，是进程调度的重要依据。
  2. 进程的调度信息：程序起始地址，程序的第一行指令的内存地址，从这里开始程序的执行；通信信息，进程间通信时的消息队列。
  3. 进程的资源信息：内存信息，内存占用情况和内存管理所用的数据结构；I/O设备信息，所用的I/O设备编号及相应的数据结构；文件句柄，所打开文件的信息。
  4. 进程上下文：执行时各种CPU寄存器的值、当前程序计数器（PC）的值以及各种栈的值等，即进程的环境。在操作系统切换进程时，当前进程被迫让出CPU，当前进程的上下文就保存在PCB结构中，供下次恢复运行时使用。

进程是并发执行的，任何进程都可以同其他进程一起执行。在进程内部，代码段和数据段有自己的独立地址空间，不同进程的地址空间是相互隔离的。

Java编写的程序都运行在Java虚拟机（JVM）中，每当使用Java命令启动一个Java应用程序时，就会启动一个JVM进程。在这个JVM进程内部，所有Java程序代码都是以线程来运行的。JVM找到程序的入口点main()方法，然后运行main()方法，这样就产生了一个线程，这个线程被称为主线程。当main()方法结束后，主线程运行完成，JVM进程也随即退出。

2. 线程概述

线程是指“进程代码段”的一次顺序执行流程。

线程是CPU调度的最小单位。一个进程可以有一个或多个线程，各个线程之间共享进程的内存空间、系统资源，进程仍然是操作系统资源分配的最小单位。

Java程序的进程执行过程就是标准的多线程的执行过程。每当使用Java命令执行一个class类时，实际上就是启动了一个JVM进程。理论上，在该进程的内部至少会启动两个线程，一个是main线程，另一个是GC（垃圾回收）线程。实际上，执行一个Java程序后，通过Process Explorer来观察，线程数量远远不止两个，达到了18个之多。一个标准的线程主要由三部分组成，即线程描述信息、程序计数器（Program Counter，PC）和栈内存，如图所示。

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在线程的结构中，线程描述信息即线程的基本信息，主要包括：

  1. 线程ID（Thread ID，线程标识符）。线程的唯一标识，同一个进程内不同线程的ID不会重叠。
  2. 线程名称。主要是方便用户识别，用户可以指定线程的名字，如果没有指定，系统就会自动分配一个名称。
  3. 线程优先级。表示线程调度的优先级，优先级越高，获得CPU的执行机会就越大。
  4. 线程状态。表示当前线程的执行状态，为新建、就绪、运行、阻塞、结束等状态中的一种。
  5. 其他。例如是否为守护线程等。

在线程的结构中，程序计数器很重要，它记录着线程下一条指令的代码段内存地址。在线程的结构中，栈内存是代码段中局部变量的存储空间，为线程所独立拥有，在线程之间不共享。在JDK 1.8中，每个线程在创建时默认被分配1MB大小的栈内存。栈内存和堆内存不同，栈内存不受垃圾回收器管理。

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package com.crazymakercircle.mutithread.basic.create;

import com.crazymakercircle.util.Print;

public class StackAreaDemo {
    public static void main(String args[]) throws InterruptedException {
        Print.cfo("当前线程名称：" + Thread.currentThread().getName());
        Print.cfo("当前线程ID：" + Thread.currentThread().getId());
        Print.cfo("当前线程状态：" + Thread.currentThread().getState());
        Print.cfo("当前线程优先级：" + Thread.currentThread().getPriority());
        int a = 1, b = 1;
        int c = a / b;
        anotherFun();
        Thread.sleep(10000000);
    }

    private static void anotherFun() {
        int a = 1, b = 1;
        int c = a / b;
        anotherFun2();
    }

    private static void anotherFun2() {
        int a = 1, b = 1;
        int c = a / b;
    }
}

在Java中，执行程序流程的重要单位是“方法”，而栈内存的分配单位是“栈帧”（或者叫“方法帧”）。方法的每一次执行都需要为其分配一个栈帧（方法帧），栈帧主要保存该方法中的局部变量、方法的返回地址以及其他方法的相关信息。当线程的执行流程进入方法时，JVM就会为方法分配一个对应的栈帧压入栈内存；当线程的执行流程跳出方法时，JVM就从栈内存弹出该方法的栈帧，此时方法帧的局部变量的内存空间就会被回收。

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3. 区别

  1. 线程是“进程代码段”的一次顺序执行流程。一个进程由一个或多个线程组成，一个进程至少有一个线程。
  2. 线程是CPU调度的最小单位，进程是操作系统分配资源的最小单位。线程的划分尺度小于进程，使得多线程程序的并发性高。
  3. 线程是出于高并发的调度诉求从进程内部演进而来的。线程的出现既充分发挥了CPU的计算性能，又弥补了进程调度过于笨重的问题。
  4. 进程之间是相互独立的，但进程内部的各个线程之间并不完全独立。各个线程之间共享进程的方法区内存、堆内存、系统资源（文件句柄、系统信号等）。
  5. 切换速度不同：线程上下文切换比进程上下文切换要快得多。所以，有的时候，线程也称为轻量级进程。