小孟的技术笔记

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进程、线程、协程 ​

进程（Process） ​

一、是什么？ ​

进程是操作系统分配资源的基本单位，表示一个正在执行的程序实例。每个进程拥有独立的内存空间（代码段、数据段、堆栈等）、文件句柄和系统资源。例如：运行中的Chrome浏览器是一个进程。

二、解决什么问题 ​

解决程序间的隔离性和资源分配问题：

  1. 防止程序间相互干扰（如一个程序崩溃不影响其他程序）
  2. 实现多任务并行（如同时运行IDE和音乐播放器）
  3. 提供安全边界（操作系统级权限控制）

三、核心方法（Java） ​

  • 创建进程：ProcessBuilder.start() 或 Runtime.exec()
  • 等待进程：Process.waitFor()
  • 销毁进程：Process.destroy()

四、核心状态 ​

  1. 创建（New）：进程正在被初始化。
  2. 就绪（Ready）：等待CPU调度执行。
  3. 运行（Running）：正在CPU上执行。
  4. 阻塞（Blocked）：等待I/O等事件（如读取文件）。
  5. 终止（Terminated）：执行完毕或被强制结束。

五、应用场景 ​

  • 启动外部程序（如调用系统命令）
  • 需要强隔离的独立应用（如数据库服务）
  • 微服务架构中的服务实例

六、Java示例 ​

java
// 启动记事本进程
ProcessBuilder builder = new ProcessBuilder("notepad.exe");
Process process = builder.start();
process.waitFor();  // 等待进程结束
System.out.println("记事本已关闭");

七、重要注意事项 ​

  1. 进程创建/销毁开销大（需分配独立内存）
  2. 进程间通信(IPC)复杂（需管道、Socket等）
  3. 一个Java程序默认至少一个进程（JVM进程）

线程（Thread） ​

一、是什么？ ​

线程是CPU调度的最小单位，属于进程内的执行流。一个进程可包含多个线程，共享进程的内存空间（如堆内存），但拥有独立的栈和程序计数器。

二、解决什么问题 ​

解决进程内并发执行效率问题：

  1. 减少上下文切换开销（线程切换比进程快5-10倍）
  2. 共享内存简化通信（无需IPC）
  3. 充分利用多核CPU（并行计算）

三、核心方法（Java） ​

  • 创建线程：new Thread(Runnable).start()
  • 线程池：Executors.newFixedThreadPool()
  • 同步：synchronized、ReentrantLock
  • 协作：wait()/notify()、CountDownLatch

四、核心状态（Java线程） ​

  1. NEW：通过new Thread()创建但未启动。
  2. RUNNABLE：调用start()后，等待或正在运行。
  3. BLOCKED：等待监视器锁（如synchronized）。
  4. WAITING：无期限等待（如object.wait()）。
  5. TIMED_WAITING：有限等待（如Thread.sleep(1000)）。
  6. TERMINATED：执行完毕。

五、应用场景 ​

  • 高并发服务器（如Tomcat处理请求）
  • 异步任务（如后台日志写入）
  • 实时数据处理（如股票行情分析）

六、Java示例 ​

java
// 多线程下载文件
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
List<Future<String>> results = new ArrayList<>();

for (String url : urls) {
    results.add(executor.submit(() -> {
        return downloadFile(url); // 每个线程下载一个文件
    }));
}

// 获取结果
for (Future<String> future : results) {
    System.out.println(future.get());
}
executor.shutdown();

七、重要注意事项 ​

  1. 需处理线程安全（竞态条件、死锁）
  2. 线程数过多导致上下文切换开销增加
  3. Java线程与OS线程1:1对应（重量级）

协程（Coroutine） - Java虚拟线程（JDK19+） ​

一、是什么？ ​

协程是用户态轻量级线程，由程序而非OS调度。Java中称为虚拟线程（Virtual Thread），通过Project Loom实现（JDK19+正式发布）。特点：

  • 在用户空间调度（无OS上下文切换）
  • 挂起/恢复由JVM控制
  • 1个OS线程可运行数千个协程

二、解决什么问题 ​

解决传统线程的高并发瓶颈：

  1. 消除线程数限制（可创建百万级虚拟线程）
  2. 减少内存占用（初始栈仅4KB vs 线程1MB）
  3. 降低I/O阻塞成本（挂起时不占用OS线程）

三、核心方法（Java） ​

  • 启动虚拟线程：Thread.startVirtualThread()
  • 虚拟线程池：Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()
  • 挂起/恢复：自动处理（无需手动）

四、核心状态 ​

协程状态对开发者透明，由JVM管理。本质分为：

  • 运行中：占用载体线程执行。
  • 挂起（Yield）：遇到I/O时主动让出CPU（如Files.readString()）。
  • 结束：任务完成。

五、应用场景 ​

  • 超高并发服务（10K+连接）
  • I/O密集型任务（如微服务网关）
  • 响应式编程（替代回调地狱）

六、Java示例（JDK21+） ​

java
try (var executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()) {
    IntStream.range(0, 10_000).forEach(i -> {
        executor.submit(() -> {
            Thread.sleep(Duration.ofSeconds(1));
            System.out.println("Task " + i + " on virtual thread");
            return i;
        });
    });
} // 自动关闭executor

七、重要注意事项 ​

  1. CPU密集型任务无优势（仍需要平台线程）
  2. synchronized会阻塞载体线程（优先用ReentrantLock）
  3. 调试工具需升级（如支持虚拟线程的调试器）

核心区别 ​

特性进程线程协程（虚拟线程）
隔离性完全隔离（独立内存）共享内存共享内存
创建数量数百个数千个百万级
内存开销高（MB级）中（MB级）极低（KB级）
切换开销高（OS内核切换）中（OS内核切换）低（用户态切换）
调度方操作系统操作系统JVM（用户空间）
通信成本高（IPC）中（需同步）低（无同步需求）
最佳场景强隔离任务CPU密集型任务I/O密集型高并发

总结 ​

  1. 进程：资源隔离的基石，适合独立应用
  2. 线程：并发编程主力，平衡性能与开发成本
  3. 协程（虚拟线程）：JDK19+的革命性特性，突破高并发瓶颈
    • 核心价值：用同步代码写异步逻辑，资源利用率提升10倍+
    • 使用建议：
      • 新项目优先用虚拟线程（Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()）
      • 替换ThreadPoolExecutor处理I/O任务
      • 避免在虚拟线程中使用synchronized

演进趋势：Java正从"线程池+回调"转向虚拟线程+结构化并发（JDK21）。学习建议：掌握传统线程模型，同时拥抱虚拟线程的轻量化优势。