Thread线程与Process进程

最重要的一个概念
一个线程thread是一个进程process中的一个执行流程，简单的理解：一个进程相当于多个线程的集合，一个进程至少包含一个线程。


Definition定义
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Process
进程是应用程序的一次运行活动；
从操作系统核 心角度来说，进程是操作系统分配和调度系统内存资源、cpu时间片等资源的基本单位，为正在运行的应用程序提供运行环境。

Thread
线程是程序内部有并发性的顺序代码流。是cpu调度资源的最小单元。


Units单位大小
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Process
进程是操作系统分配和调度系统内存资源、cpu时间片 等资源的基本单位；一个进程至少包括一个线程。进程是操作系统资源管理的实体。
Thread
线程是cpu调度资源的最小单元。线 程是进程的实体。


Resource系统资源分配上
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Process
每个进程都有自己的内存地址空间。
Thread
线 程没有自己独立的内存资源，它只有自己的执行堆栈和局部变量。但是在同属一个进程的多个线程中他们可以共享进程的内存资源。

Running执行过程中
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执行过程中，进程有内存单元的初始入口点，在存活阶段里拥有独立的地址空间。
A process has the initial entrance of Memory Units and room of address.

进程是应用程序的一次运行活动，独立地执行；所以某一个进程崩溃以后，在保护模式下不会影响其他的进程，健壮性好。
A process is activity of application.

父进程与子进程 的关系待研究深入中……

每个已创建的进程都可以创建进程，创建进程的进程称为父进程，被创建的新进程为子进程，这样便形成一个进程树。父进程与子进程可并行执行；父进程等 待子进程终止执行。父进程终止后，所有的子进程也都必须要终止。

Thread
而线程不能独立地执行，它必须依附在一个运行中的应用程序上。
但是，同一个进程中的多个线程可以并发地执行，并发性 高，系统在数据交换上花费的资源少，运行效率高。

主线程与其他线程 的关系待研究深入中……

每个进程里都会有一个主线程，由它创建其他线程。

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Common ground 共同点
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Process和Thread都有生命周期：
create 创建，ready就绪，running运行，waitSleepJoin阻塞，suspend挂起，stoped死亡

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代码解析
Process
Java 进程的建立方法
在 JDK 中，与进程有直接关系的类为 Java.lang.Process，它是一个抽象类。在 JDK 中也提供了一个实现该抽象类的 ProcessImpl 类，如果用户创建了一个进程，那么肯定会伴随着一个新的 ProcessImpl 实例。同时和进程创建密切相关的还有 ProcessBuilder，它是在 JDK1.5 中才开始出现的，相对于 Process 类来说，提供了便捷的配置新建进程的环境，目录以及是否合并错误流和输出流的方式。
Java.lang.Runtime.exec 方法和 Java.lang.ProcessBuilder.start 方法都可以创建一个本地的进程，然后返回代表这个进程的 Java.lang.Process 引用。
Runtime.exec 方法建立一个本地进程
该方法在 JDK1.5 中，可以接受 6 种不同形式的参数传入。
Process exec(String command)
Process exec(String [] cmdarray)
Process exec(String [] cmdarrag, String [] envp)
Process exec(String [] cmdarrag, String [] envp, File dir)
Process exec(String cmd, String [] envp)
Process exec(String command, String [] envp, File dir)
他们主要的不同在于传入命令参数的形式，提供的环境变量以及定义执行目录。
ProcessBuilder.start 方法来建立一个本地的进程
如果希望在新创建的进程中使用当前的目录和环境变量，则不需要任何配置，直接将命令行和参数传入 ProcessBuilder 中，然后调用 start 方法，就可以获得进程的引用。
Process p = new ProcessBuilder("command", "param").start();
也可以先配置环境变量和工作目录，然后创建进程。
ProcessBuilder pb = new ProcessBuilder("command", "param1", "param2");
Map<String, String> env = pb.environment();
env.put("VAR", "Value");
pb.directory("Dir");
Process p = pb.start();

Java 创建线程的方法

实际上，创建线程最重要的是提供线程函数（回调函数），该函数作为新创建线程的入口函数，实现自己想要的功能。Java 提供了两种方法来创建一个线程：

    继承 Thread 类

class MyThread extends Thread{
public void run() {
System.out.println("My thread is started.");
}
}

实现该继承类的 run 方法，然后就可以创建这个子类的对象，调用 start 方法即可创建一个新的线程：

MyThread myThread = new MyThread();
myThread.start();

    实现 Runnable 接口

class MyRunnable implements Runnable{
public void run() {
     System.out.println("My runnable is invoked.");
}
}

实现 Runnable 接口的类的对象可以作为一个参数传递到创建的 Thread 对象中，同样调用 Thread#start 方法就可以在一个新的线程中运行 run 方法中的代码了。

Thread myThread = new Thread( new MyRunnable());
myThread.start();

可以看到，不管是用哪种方法，实际上都是要实现一个 run 方法的。 该方法本质是上一个回调方法。由 start 方法新创建的线程会调用这个方法从而执行需要的代码。 从后面可以看到，run 方法并不是真正的线程函数，只是被线程函数调用的一个 Java 方法而已，和其他的 Java 方法没有什么本质的不同。
Java 线程的实现

从概念上来说，一个 Java 线程的创建根本上就对应了一个本地线程（native thread）的创建，两者是一一对应的。 问题是，本地线程执行的应该是本地代码，而 Java 线程提供的线程函数是 Java 方法，编译出的是 Java 字节码，所以可以想象的是， Java 线程其实提供了一个统一的线程函数，该线程函数通过 Java 虚拟机调用 Java 线程方法 , 这是通过 Java 本地方法调用来实现的。

以下是 Thread#start 方法的示例：

public synchronized void start() {
     …
     start0();
     …
}

可以看到它实际上调用了本地方法 start0, 该方法的声明如下：

private native void start0();

Thread 类有个 registerNatives 本地方法，该方法主要的作用就是注册一些本地方法供 Thread 类使用，如 start0()，stop0() 等等，可以说，所有操作本地线程的本地方法都是由它注册的 . 这个方法放在一个 static 语句块中，这就表明，当该类被加载到 JVM 中的时候，它就会被调用，进而注册相应的本地方法。

private static native void registerNatives();
  static{
       registerNatives();
  }

本地方法 registerNatives 是定义在 Thread.c 文件中的。Thread.c 是个很小的文件，定义了各个操作系统平台都要用到的关于线程的公用数据和操作，如代码清单 2 所示。
清单 2

JNIEXPORT void JNICALL
Java_Java_lang_Thread_registerNatives (JNIEnv *env, jclass cls){
   (*env)->RegisterNatives(env, cls, methods, ARRAY_LENGTH(methods));
}
static JNINativeMethod methods[] = {
    {"start0", "()V",(void *)&JVM_StartThread},
    {"stop0", "(" OBJ ")V", (void *)&JVM_StopThread},
{"isAlive","()Z",(void *)&JVM_IsThreadAlive},
{"suspend0","()V",(void *)&JVM_SuspendThread},
{"resume0","()V",(void *)&JVM_ResumeThread},
{"setPriority0","(I)V",(void *)&JVM_SetThreadPriority},
{"yield", "()V",(void *)&JVM_Yield},
{"sleep","(J)V",(void *)&JVM_Sleep},
{"currentThread","()" THD,(void *)&JVM_CurrentThread},
{"countStackFrames","()I",(void *)&JVM_CountStackFrames},
{"interrupt0","()V",(void *)&JVM_Interrupt},
{"isInterrupted","(Z)Z",(void *)&JVM_IsInterrupted},
{"holdsLock","(" OBJ ")Z",(void *)&JVM_HoldsLock},
{"getThreads","()[" THD,(void *)&JVM_GetAllThreads},
{"dumpThreads","([" THD ")[[" STE, (void *)&JVM_DumpThreads},
};

到此，可以容易的看出 Java 线程调用 start 的方法，实际上会调用到 JVM_StartThread 方法，那这个方法又是怎样的逻辑呢。实际上，我们需要的是（或者说 Java 表现行为）该方法最终要调用 Java 线程的 run 方法，事实的确如此。 在 jvm.cpp 中，有如下代码段：

JVM_ENTRY(void, JVM_StartThread(JNIEnv* env, jobject jthread))
…
native_thread = new JavaThread(&thread_entry, sz);
…

这里JVM_ENTRY是一个宏，用来定义JVM_StartThread 函数，可以看到函数内创建了真正的平台相关的本地线程，其线程函数是 thread_entry，如清单 3 所示。
清单 3

static void thread_entry(JavaThread* thread, TRAPS) {
    HandleMark hm(THREAD);
Handle obj(THREAD, thread->threadObj());
JavaValue result(T_VOID);
JavaCalls::call_virtual(&result,obj,
KlassHandle(THREAD,SystemDictionary::Thread_klass()),
vmSymbolHandles::run_method_name(),
vmSymbolHandles::void_method_signature(),THREAD);
}

可以看到调用了 vmSymbolHandles::run_method_name 方法，这是在 vmSymbols.hpp 用宏定义的：

class vmSymbolHandles: AllStatic {
…
template(run_method_name,"run")
…
}

至于 run_method_name 是如何声明定义的，因为涉及到很繁琐的代码细节，本文不做赘述。感兴趣的读者可以自行查看 JVM 的源代码。
图 1. Java 线程创建调用关系图
图 1. Java 线程创建调用关系图

综上所述，Java 线程的创建调用过程如 图 1 所示，首先 , Java 线程的 start 方法会创建一个本地线程（通过调用 JVM_StartThread），该线程的线程函数是定义在 jvm.cpp 中的 thread_entry，由其再进一步调用 run 方法。可以看到 Java 线程的 run 方法和普通方法其实没有本质区别，直接调用 run 方法不会报错，但是却是在当前线程执行，而不会创建一个新的线程。

回页首
Java 线程与操作系统线程从上我们知道，Java 线程是建立在系统本地线程之上的，是另一层封装，其面向 Java 开发者提供的接口存在以下的局限性：
线程返回值
Java 没有提供方法来获取线程的退出返回值。实际上，线程可以有退出返回值，它一般被操作系统存储在线程控制结构中 （TCB），调用者可以通过检测该值来确定线程是正常退出还是异常终止。
线程的同步
Java 提供方法 Thread#Join（）来等待一个线程结束，一般情况这就足够了，但一种可能的情况是，需要等待在多个线程上（比如任意一个线程结束或者所有线程结束才会返回），循环调用每个线程的 Join 方法是不可行的，这可能导致很奇怪的同步问题。
线程的 ID
Java 提供的方法 Thread#getID（）返回的是一个简单的计数 ID，其实和操作系统线程的 ID 没有任何关系。
线程运行时间统计
Java 没有提供方法来获取线程中某段代码的运行时间的统计结果。虽然可以自行使用计时的方法来实现（获取运行开始和结束的时间，然后相减 ），但由于存在多线程调度方法的原因，无法获取线程实际使用的 CPU 运算时间，因而必然是不准确的。