1、進程與線程
1.1、進程
進程可以看作是程序的執行過程。一個程序的運行需要CPU時間、內存空間、文件以及I/O等資源。操作系統就是以進程為單位來分配這些資源的，所以說進程是分配資源的基本單位。
（1）、進程是動態的，程序是靜態的
程序是靜態的，它本身作為一種軟件資源可以長期保存在磁盤（常說的硬盤）中。比如QQ，QQ作為一個程序，其本身保存在計算機的磁盤上。此時，它並沒有得到CPU、內存、I/O等資源。因此當前的QQ程序只是一個靜態的程序並不能給我們實現視頻、語音等功能。
但當QQ程序開始執行時，操作系統就會將QQ程序從磁盤中裝入內存，同時也會在操作系統中創建屬於QQ的進程，這些新創建的QQ進程會得到操作系統分配的CPU、內存、I/O等資源，得到這些資源后，創建出來的QQ進程就可以實現視頻和語音的功能。而當我們點擊退出QQ后，這些進程就會立刻消亡，分配得到的資源也會被釋放。
由此可以看出，QQ進程是QQ程序的執行過程，它是動態的，有一定的生命周期，會動態的產生和消亡。進程是資源分配的單位。
（2）、程序與進程並不是一 一對應的關系
雖然進程可以看作是程序的執行過程，但並非一個程序對應一個進程，即二者並不是一 一對應的關系。程序與進程的關系可能有以下幾種：
①一個程序產生一個進程：比如Win10的記事本程序(notepad.exe)，每打開一個txt文本文件，就只會啟動一個記事本進程。
②一個程序產生多個進程：比如瀏覽器啟動時，一般都會產生多個進程，這些進程相互配合，互相影響，共同實現瀏覽器的功能。
③一個程序可以被多個進程共用：比如一個記事本程序在執行時，就只會產生一個進程。但當我們再用記事本程序打開一個文件時，此時就會再次在操作系統中創建一個新的進程，這個新的進程同樣也會調用記事本程序。即在此刻，計算機磁盤中只有一個記事本程序，但是操作系統中卻有兩個記事本進程在共用這個程序，且這兩個進程互不影響。
④一個進程又可能要用到多個程序：比如，用C語言寫了一個helloword.c的程序。此時，輸入命令gcc helloword.c。那么操作系統會創建一個進程，它調用c編譯程序，對helloword.c文件進行編譯。這個進程在執行編譯的過程中，除了調用c編譯程序和我們編寫的helloword程序外，還會用到c預處理程序、連接程序、結果輸出程序等。
1.2、線程
線程從屬於進程，只能在進程的內部活動，多個線程共享進程所擁有的的資源。如果把進程看作是完成許多功能的任務的集合，那么線程就是集合中的一個任務元素，負責具體的功能。雖然CPU、內存、I/O等資源分配給了進程，但實際上真正利用這些資源並在CPU上執行的卻是線程，即真正完成程序功能的是線程。
因為進程作為這些資源的擁有者，它的負載很重，在進程的創建、切換、刪除過程中的時間和空間開銷都很大。所以目前主流的操作系統都只將進程作為資源的擁有者，而把CPU調度和運行的屬性賦予了線程。
比如打開瀏覽器程序，會產生相應的進程，瀏覽器進程中包含有許多線程，如HTTP請求線程，I/O線程，渲染線程，事件響應線程等。瀏覽器進程擁有着內存和I/O資源等，但當我們在瀏覽器中輸入文字時，真正使用I/O資源接收我們輸入的文字，並在CPU處理文字的卻是瀏覽器進程中的I/O線程。即真正完成瀏覽器文字輸入功能的是線程。
現代很多操作系統支持讓一個進程包含多個線程，從而提高程序的並行程度和資源的利用率。
1.3、線程與進程的關系
①一個進程可以有多個線程，但至少要有一個線程，並且一個線程只能在一個進程的地址空間內活動。
②資源分配給進程，而一個進程內的所有線程共享該進程的所有資源。
③CPU分配給的是線程，即真正在CPU上運行的是線程。
④進程間通信較為復雜，同一台計算機的進程通信稱為 IPC（Inter-process communication）。
而不同計算機之間的進程通信，則需要通過網絡，並遵守共同的協議，例如 HTTP等。
⑤線程通信相對簡單，因為它們共享進程內的內存，一個例子是多個線程可以訪問同一個共享變量。
⑥線程更輕量，線程上下文切換成本一般上要比進程上下文切換低。
2、Java中的進程與線程
2.1、JVM進程
我們知道Java語言是需要運行在JVM上的。實際上，JVM也是一個軟件程序，這就意味着它執行起來也會在操作系統中創建進程，即JVM進程，通常又叫JVM實例。而我們所寫的main方法，實際上就是JVM進程中主線程的所在。
從操作系統的角度來看，我們常說的Java程序，應該包括JVM和我們編寫的Java代碼。
當我們寫完Java代碼，並編譯成class文件后，使用Java命令執行main方法；或者直接在IDE啟動main方法時，JVM程序就會執行，操作系統會將其從磁盤中裝入內存，並創建一個JVM進程，隨后啟動主線程，主線程會去調用某個類的 main 方法，因此這個主線程就是我們寫的main方法所在。
實際上，JVM本身就是一個多線程應用，即使我們在代碼中並沒有手動的創建線程，JVM進程也並不是只有一個主線程，而是也會有其他線程。這些線程完成着JVM的功能，如GC線程負責回收JVM使用過程中的垃圾對象。JVM進程啟動完成后，必然會有的線程如下：
| 線程 | 作用 |
|---|---|
| main | 主線程，執行我們指定的啟動類的main方法 |
| Reference Handler | 處理引用的線程 |
| Finalizer | 調用對象的finalize方法的線程 |
| Signal Dispatcher | 分發處理發送給JVM信號的線程 |
| Attach Listener | 負責接收外部的命令的線程 |
至此，我們知道了，啟動一個Java程序，本質上就是啟動JVM程序，並在操作系統中創建一個JVM進程。這個JVM進程會由操作系統分配許多資源，如內存、I/O等。JVM進程中包含有許多線程，這些線程共享JVM進程分配到的資源，同時這些線程也是CPU核心上執行的實體，它們完成着JVM所具有的功能。
那么如果我們啟動兩個Java程序，會生成多少個JVM進程呢？
我們編寫兩個Java程序，其有代碼如下：
processTest01程序
public class processTest01 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
System.out.println("我是測試01");
byte[] a = new byte[1024*1024*50]; //在堆中占50MB
processTest02 test02 = new processTest02();
Thread.sleep(1000*60*30); //休眠三十分鍾
}
}
processTest02程序
public class processTest02 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
System.out.println("我是測試02");
byte[] a = new byte[1024*1024*900]; //在堆中占900MB
Thread.sleep(1000*60*30); //休眠三十分鍾
}
}
我們將編譯這兩個程序，並分別用Java命令啟動它們。看看兩個Java程序會在操作系統中創建了多少個進程。
打開JDK自帶的jvisualvm.exe，這是JDK提供的查看Java進程和線程相關信息的工具程序，在自己電腦上的JDK目錄下（Win10）：Java\jdk1.8.0_131\bin。如圖所示：
可以繼續使用jvisualvm，查看進程中線程的相關情況：
pid（進程號）為2146的進程：
pid（進程號）為4196的進程：
可以看出，啟動多少個Java程序，就會創建多少個JVM進程，也稱之為JVM實例。而每一個JVM實例都是獨立的，它們互不影響。這也是前面所說的一個程序可以被多個進程共用的情況。
一個JVM進程就是一個JVM的實例。JVM的實例在執行Java程序的過程中會把它管理的內存划分為不同區域，稱之為運行時數據區，如下所示：
2.2、Java的線程
我們知道，線程從屬於進程，是CPU調度執行的單位，各個線程共享進程內的資源。目前主流的操作系統都支持了線程。在實現了線程的操作系統中，一個進程中必然有至少一個操作系統的線程，這種屬於操作系統的線程被稱為內核線程（kernel-Level Thread，KLT）。
而各個應用程序實現多線程的方式主要有三種：
①內核線程1：1實現
內核線程即操作系統本身的線程，1：1意味着程序中的線程與操作系統中的內核線程是直接對應的。這種線程的創建是由操作系統來完成的，同時也是由操作系統來負責調度的。這種內核線程的切換需要硬件支持，切換所需的時間也較長，但其優點是一個線程阻塞了，其他線程也可以執行，則進程就能繼續工作。但一般來說，程序中的線程不會直接使用內核線程，而是使用它提供的高級接口，稱之為輕量級進程（Light Weight Process，LWP）。雖然名稱變了，但其本質上還是操作系統的內核線程。每個輕量級進程，都由一個內核線程支持，所以他們都可以獨立調度，由操作系統的調度器（Scheduler）負責調度。總的來說就是，程序中的線程是操作系統的內核線程。
可以看出，使用內核線程1：1實現的程序可以同時在多個CPU核心上跑。也就是說，程序執行產生的一個進程中的多個線程在同一時刻可能會在不同的CPU核心上運行。這對於一個程序來說，大大加快了運行效率。
②用戶線程1：N實現
用戶線程指的是由用戶程序自主實現，不需要操作系統來實現的線程，一個線程不是內核線程，就可以認為是用戶線程。用戶線程雖然不需要操作系統來實現，但在實現了線程的操作系統中，一個進程中必然要有一個內核線程來支持運行。1:N中的1就是一個內核線程的意思。而N指的是用戶程序自主實現的多用戶線程，操作系統無法得知這些用戶線程的存在，因為這些用戶線程都是在用戶程序內部建立、切換和銷毀的。由於用戶線程不需要操作系統的幫助，所以對於用戶線程的操作可以非常快，消耗低，且不需要硬件的支持。同時，用戶線程的的數量不受操作系統的限制。在沒有實現多線程的操作系統中也可以實現多線程程序。但由於用戶線程需要映射為內核線程才能執行，所以如果一個線程阻塞，那么所有的線程都將阻塞，進程也無法繼續工作。線程的調度也是由用戶程序自主實現。總的來說，用戶線程就是用戶的程序自主實現的線程，多個用戶線程對應着一個操作系統的內核線程。
可以看出，用戶線程1：N實現的程序，一個進程中的多用戶線程在同一時刻只能在一個CPU核心上運行，因為只有一個內核線程支持着這個進程。從操作系統角度來看，這就是一個單線程的進程。當然，如果一個實現了用戶線程的程序執行產生了多個進程，那么實際上這個程序也可能在多個CPU核心上跑。目前很少有程序實現這種用戶線程了。
③混合N：M實現
混合實現即用戶線程和內核線程一起使用的實現方式。在這種混合實現下，即存在用戶線程，又存在輕量級進程（內核線程）。用戶線程還是由用戶程序自主實現，這樣用戶線程的創建、切換、銷毀依然快速且消耗低。而一個用戶線程的集合（包含一個或多個用戶線程）又與一個內核線程映射。多個用戶線程的集合，就是N:M實現中的N，而M自然指的是多個內核線程。這樣的情況下，也可以繼續使用操作系統的調度功能，而且由於一個內核線程支持着一個用戶線程的集合，所以一個用戶線程阻塞，並不會阻塞其他用戶線程，進程也能繼續工佐。總的來說，混合實現就是一個用戶線程的集合對應着一個內核線程，一個進程中會存在多個用戶線程集合，則會有多個內核線程來支持運行。
可以看出，由於用戶線程集合映射到了一個內核線程上，而一個進程又有多個用戶線程集合。所以使用混合實現多線程的程序，進程中也可能存在多個用戶線程在不同CPU核心上執行的情況。
Java線程的實現
介紹完程序實現多線程的三種方式，那么Java是如何實現多線程的呢？
首先，Java虛擬機規范並未規定要如何實現多線程，所以Java的線程都是由虛擬機來具體實現，不同的虛擬機實現線程的方式可能都不相同。不過，在JDK1.2之前，早期的虛擬機都采用的是用戶線程1：N的實現方式。而在JDK1.3之后，大部分的虛擬機都采用了內核線程1:1實現的方式，包括我們最常用的HostSpot虛擬機。
這就意味着，我們在平常的開發中，不論是JVM程序自己創建的線程，還是我們手動編碼創建的線程，實際上都是直接1:1映射到了操作系統的內核線程。 這一內核線程由操作系統來創建，且虛擬機不會去干涉線程調度。Java的線程何時交給CPU核心去執行，交給哪個CPU核心，線程有多少CPU核心的執行時間，線程何時凍結、喚醒等等，都交給操作系統去完成，也都是操作系統全權決定（不過Java虛擬機也可以設置線程優先級來給操作系統的線程調度提供建議）。
3、多線程與並行、並發
兩個或兩個以上的線程在同一時刻發生就稱為並行，如兩個線程在同一時刻在兩個不同的CPU核心上執行，則可以說這兩個線程是並行執行。
兩個或兩個以上的線程在同一時間段內發生則稱為並發，比如兩個線程在一個極短的時間段上分別在同一個CPU核心上執行，則可以說這兩個線程是並發執行。
並行與並發的關鍵就在於是否為同一時刻執行，並行是在同一時刻執行，而並發則是在極短的時間內執行。
在一個CPU核心中，線程實際是並發執行的，操作系統中有一個組件叫做任務調度器，將cpu核心的時間片（windows下時間片最小約為 15 毫秒）分給不同的程序使用，只是由於cpu核心在線程間（時間片很短）的切換非常快，給人的感覺是同時運行的，但實際上一個CPU核心同一時刻只能支持一個線程運行。即如果是在單個CPU核心的操作系統中，Java程序（包含JVM）本身雖然是多線程的，但實際上，同一時刻只能有一個Java線程在執行。
但目前的計算機已經很少有單個核心的CPU了，目前即使是個人使用的計算機都是多個核心的CPU了，每個核心都可以獨立調度運行線程，這就意味着線程之間可以並行執行。
可以看出，在多核心的CPU下，線程之間是可以並行執行的。但即使是擁有多個CPU核心的計算機，CPU核心的數量始終是有限的，而一個操作系統中的線程數遠遠多於CPU核心數，所以線程之間大部分情況下是屬於並發狀態的。即線程之間是在極短時間下交替在CPU核心上執行的。
需要注意的是，在單個CPU核心下，多線程其實是沒有太大意義的，因為始終只能有一個線程在CPU核心上執行，而線程間的切換是需要耗費時間和資源的。但多核CPU可以同時執行線程，如果在多核CPU中還是使用單線程，無疑是對CPU的巨大浪費。並發的最主要的目的就是最大限度利用CPU資源。
但並發並不是線程特有的，進程之間也可以並發。有些語言實現並發就是使用進程來進行並發，如PHP。不過Java的並發依然是依賴於多線程，即多線程是Java實現並發的一種方式。
使用多線程的好處：
（1）、使用更多的CPU核心
一個多線程程序，可以將計算任務分配到多個CPU核心上，則可以顯著減少程序的處理時間，提升程序的效率，並且也是對CPU資源的合理利用。而如果只是單線程程序，則是浪費了多核CPU。
（2）、獲得更快的響應時間
在一個系統中，如果用戶點擊某個按鈕后，需要在程序中執行十幾個操作，才能返回結果給用戶。而如果使用多線程，可以將一些不是必須按順序執行的操作交個其他線程處理，這可以縮短響應時間，提升用戶體驗。