JVM中的Java线程

天道酬勤

线程的实现

线程的实现方式主要有3种:

  • 使用内核线程实现
  • 使用用户线程实现
  • 使用用户线程加轻量级进程混合实现

使用内核线程实现

内核线程(Kernel-Level Thread,KLT)就是直接由操作系统内核支持的线程,这种线程由内核来完成线程切换,内核通过操纵调度器对线程进行调度,并负责将线程的任务映射到各个处理器上。每个内核线程可以视为内核的一个分身,这样操作系统就有能力同时处理多件事情,支持多线程的内核就叫做多线程内核。程序一般不会直接去使用内核线程,而是去使用内核线程的一种高级接口——轻量级进程,轻量级进程就是我们通常意义上所讲的线程,由于每个轻量级进程都由一个内核线程支持,因此只有先支持内核线程,才能有轻量级进程。这种轻量级进程与内核线程之间1:1的关系称为一对一的线程模型,关系图如下:

由于内核线程的支持,每个轻量级进程都成为一个独立的调度单元,即使有一个轻量级进程在系统调用中阻塞了,也不会影响整个进程继续工作,但是轻量级进程具有它的局限性:

  • 首先,由于是基于内核线程实现的,所以各种线程操作,如创建、析构及同步,都需要进行系统调用。而系统调用的代价相对较高,需要在用户态和内核态中间来回切换。
  • 其次,每个轻量级进程都需要有一个内核线程的支持,因此轻量级进程需要消耗一定的内核资源,因此一个系统支持的轻量级进程的数量是有限的。

使用用户线程实现

从广义上来讲,一个线程只要不是内核线程,就可以认为是用户线程,从这个定义上来将,轻量级进程也属于用户线程,但是轻量级进程的实现始终是建立在内核之上的,许多操作都要进行系统调用,效率回收到限制。狭义上的用户线程指的是完全建立在用户空间的线程上,系统内核不能感知线程存在的实现。用户线程的建立、同步、销毁和调度完全在用户态中完成,不需要内核的帮助。如果程序实现得当,这种线程不需要切换到内核态,因此操作可以是非常快且低消耗的,也可以支持规模更大的线程数量,部分高性能数据库中的多线程就是由用户态线程实现的。这种进程与用户线程之间1:N的关系称为一对多的线程模型,关系图如下:

使用用户线程的优势在于不需要系统内核支援,劣势也在于没有系统内核的支援,所有的线程操作都需要用户程序自己处理。

使用用户线程加轻量级进程混合实现

线程除了依赖内核线程实现和完全由用户程序自己实现之外,还有一种将内核线程与用户线程一起使用的实现方式。这种混合模式,即存在用户线程,也存在轻量级进程。用户线程还是完全建立在用户空间中,因此用户线程的创建、析构、切换等操作依然廉价,并且可以支持大规模的用户线程并发。而操作系统提供支持的轻量级进程则作为用户线程和内核线程之间的桥梁,这样可以使用内核提供的线程调度功能即处理器映射,并且用户线程的系统调用要通过轻量级进程来完成,大大降低了整个进程被完全阻塞的风险。这种混合模式中的用户线程和轻量级进程的数量比是不定的,为N:M的关系,这种多对多的线程模型。关系图如下:

Java线程调度

线程调度是指系统为线程分配处理器使用权的过程,主要调度方式有两种,分别是协同式线程调度和抢占式线程调度。

如果使用协同式调度的多线程系统,线程的执行时间由线程本身控制,线程把自己的工作执行完了之后,要主动通知系统切换到另外一个线程。协同式多线程的最大好处是实现简单,而且由于线程要把自己的事情干完后才会进行线程切换,切换操作对线程自己是可知的,所以没有什么线程同步的问题。但它的坏处也很明显,线程执行时间不可控制,甚至如果一个线程编写有问题,一直不告知系统进行线程切换,那么程序就会一直阻塞在那里。

如果使用抢占式调度的多线程系统,那么每个线程将由系统来分配执行时间,线程的切换不由线程本身决定。在这种实现线程调度的方式下,线程的执行时间是系统可控的,也不会有一个线程导致整个进程阻塞的问题,Java使用的线程调度方式就是抢占式调度。

状态切换

Java语言定义了5种线程状态,在任意一个时间点,一个线程只能有且只有其中的一种状态。5种状态如下:

  • 新建(New)
    创建后尚未启动的线程处于这种状态。
  • 运行(Runable)
    Runable包括了操作系统线程状态中的Running和Ready,也就是处于此状态的线程有可能正在执行,也有可能正在等待着CPU为它分配执行时间。
  • 无限期等待(Waiting)
    处于这种状态的线程不会被CPU分配执行时间,它们要等待被其他线程显示地唤醒。下面地方法会让线程陷入无限期的等待状态:

    • 没有设置Timeout参数的Object.wait()方法
    • 没有设置Timeout参数的Thread.join()方法
    • LockSupport.park()方法
  • 限期等待(Timed Waiting)
    处于这种状态的线程也不会被分配CPU执行时间,不过无须等待被其他线程显示地唤醒,在一定时间之后它们会由系统自动唤醒。下面地方法会让线程进入限期等待状态:

    • Thread.sleep()方法
    • 设置了Timeout参数地Object.wait()方法
    • 设置了Timeout参数的Thread.join()方法
    • LockSupport.parkNanos()方法
    • LockSupport.parkUntil()方法
  • 阻塞(Blocked)
    线程被阻塞了,“阻塞状态”与“等待状态”地区别是“阻塞状态”在等待着获取到一个排他锁,这个事件将在另外一个线程放弃这个锁的时候发生,而“等待状态”则是在等待一段时间,或者唤醒动作的发生。在程序等待进入同步区域的时候,线程将进入这种状态。
  • 结束(Terminated)
    已终止线程的线程状态,线程已经结束执行。

上面的5种状态在遇到特定事件发生的时候将会互相转换,它们的转换关系如下图:

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