Java 并发编程入门：线程、进程、上下文切换与线程生命周期

并发编程是高性能 Java 应用绕不开的一关。Tomcat、MySQL、Redis、Elasticsearch、连接池、线程池，本质上都大量使用了多线程。

学并发，不是为了多写几个 new Thread()，而是为了理解多个任务同时运行时，数据为什么会乱、线程为什么会卡、性能为什么会下降。

什么是多线程

多线程是指一个程序中同时存在多个执行路径。它可以让程序更好地利用 CPU、IO 等资源，提高整体处理能力。

但多线程也带来新问题：

• 多个线程同时修改共享数据。
• 线程之间看不到彼此的修改。
• 代码执行顺序和编写顺序不完全一致。
• 线程创建和切换本身也有成本。

并发编程就是编写多线程代码，并解决多线程带来的正确性和性能问题。

进程和线程

进程是操作系统分配资源的基本单位，可以理解为正在运行的一个应用程序。

线程是进程中的执行单元，一个进程可以包含多个线程。

对比项	进程	线程
内存空间	独立	同一进程内线程共享堆和方法区
创建成本	较高	较低
通信成本	较高，需要 IPC	较低，可共享进程内数据
隔离性	强	弱
崩溃影响	通常影响单个进程	一个线程异常可能影响整个进程

线程共享堆和方法区，但每个线程都有自己的虚拟机栈、本地方法栈和程序计数器。

并发和并行

并发和并行经常被混用，但它们不是一回事。

概念	含义
并发	同一时间段内多个任务都在推进，不一定同时执行
并行	同一时刻多个任务真正同时执行

并发是一种处理多任务的能力，并行是多核 CPU 提供的同时执行能力。

单核 CPU 也能并发，因为它可以通过时间片快速切换线程；多核 CPU 才能真正让多个线程在同一时刻并行运行。

线程上下文切换

CPU 不会一直执行同一个线程。操作系统会把 CPU 时间片分给不同线程，当线程时间片用完、阻塞或被更高优先级任务抢占时，就会发生上下文切换。

一次线程上下文切换通常包含：

1. 保存当前线程的 CPU 寄存器、程序计数器等状态。
2. 选择下一个要运行的线程。
3. 恢复下一个线程之前保存的上下文。
4. 跳转到该线程上次暂停的位置继续执行。

上下文切换不是免费的。线程过多时，CPU 可能把大量时间花在切换上，而不是执行业务代码。

线程越多越好吗

线程不是越多越好。

线程过多会带来几个问题：

• 栈内存占用增加。
• 上下文切换成本升高。
• 锁竞争更激烈。
• 调度变复杂，响应时间抖动。

对于 CPU 密集型任务，线程数通常接近 CPU 核数更合理；对于 IO 密集型任务，可以适当多一些线程，因为线程经常等待 IO。

线程生命周期

Java 线程常见状态包括：

状态	说明
NEW	线程已创建，但还没有调用 start()
RUNNABLE	可运行状态，可能正在运行，也可能等待 CPU 调度
BLOCKED	等待进入同步代码块或同步方法
WAITING	无限期等待其他线程唤醒
TIMED_WAITING	限时等待
TERMINATED	线程执行结束

RUNNABLE 不等于一定正在执行。它只是说明线程具备运行资格，具体什么时候运行由操作系统调度。

sleep、wait 和 yield

几个常见方法容易混淆。

方法	作用	是否释放锁
Thread.sleep()	当前线程休眠指定时间	不释放锁
Object.wait()	当前线程等待其他线程通知	释放锁
Thread.yield()	当前线程让出 CPU 调度机会	不释放锁
Thread.interrupt()	中断线程，设置中断标记	不直接停止线程

interrupt() 不是强制杀死线程，而是一种协作式中断机制。线程需要自己检查中断状态并决定如何退出。

Java 线程如何启动

调用 Thread.start() 后，Java 线程不是直接在 Java 层执行 run()。它背后会进入 JVM 的 native 方法，再创建操作系统线程。

可以简化理解为：

Thread.start()
  -> native start0()
  -> JVM_StartThread
  -> 创建 JavaThread
  -> 创建 OS 线程
  -> OS 线程执行入口
  -> 回调 Java run()

这说明线程创建是比较重的操作，涉及 JVM 和操作系统协作。频繁创建线程会影响性能，这也是线程池存在的原因。

线程安全从哪里来

线程安全问题通常来自共享可变状态。

比如多个线程同时卖票：

if (ticket > 0) {
    ticket--;
}

这段逻辑看起来简单，但判断和扣减不是一个不可分割的操作。多个线程可能同时看到同一张票还存在，最终导致重复售卖或卖出不存在的票。

要解决线程安全问题，通常有三类思路：

• 避免共享：每个线程使用自己的数据。
• 不可变：共享对象不可修改。
• 同步控制：用锁、原子类、并发容器等保护共享数据。

小结

Java 并发入门要先抓住几个基础判断：

1. 进程是资源单位，线程是执行单位。
2. 并发不等于并行。
3. 线程切换有成本，线程不是越多越好。
4. Java 线程最终要映射到操作系统线程。
5. 线程安全问题来自共享可变状态。

后续学习 JMM、synchronized、volatile、CAS、AQS 和线程池，都是在回答同一个问题：多个线程怎样正确、高效地协作。