Java与线程实现

        并发不一定要依赖多线程，但在Java中谈论并发时，大多数都与线程脱不了关系。

线程的实现

        线程是比进程更轻量级的调度执行任务，线程的引入，可以把 一个进程的资源分配和执行调度分开，各个进程既可以共享进程资源，又可以独立调度（线程是CPU调度的基本单位）。

        主流操作系统都提供了线程的实现，Java语言则提供了在不同硬件和操作系统平台下对线程操作的统一处理，每个已经执行start()且还未结束的java.lang.Thread类的实例就代表了一个线程。在Java中，Thread类与大部分的Java API有显著的差别，它所有的关键方法都是声明为Native。在Java API中，一个Native方法往往意味着这个方法没有使用或者无法使用平台无关的手段来实现（也可以为了执行效率而使用Native方法）。

        实现线程主要有3种方式：使用内核线程实现、使用用户线程实现和使用用户线程加轻量级进程混合实现。

1.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，这个操作系统就有能力同时处理多件事情，支持多线程的内存叫做多线程内核（Multi-Thread Kernel）。

        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个高级接口--轻量级进程（Light Weight Process，LWT），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，如下图所示。

                          

        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调度中阻塞了，也不会影响整个进程继续工作，但轻量级进程也具有局限性：首先，轻量级进程是基于内核线程实现的，而系统调用的代价相对较高，需要在用户态和内核态中来回切换。其次，每个轻量级进程都需要有一个内核线程的支持，因此情轻量级进程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总是有限的。 

2.使用用户线程实现

        从广义上讲，一个线程只要不是内核线程，就可以认为是用户线程，而从狭义上讲，用户线程是指完全建立在用户空间的线程库上，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。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，如下图所示。

                                                     

        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。由于用户进程实现的程序一般比较复杂，现在使用用户线程的程序已越来越少了。

3.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以及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法。在这种混合方式中，既存在用户线程，也存在轻量级线程、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、切换等操作依然廉价。而操作系统提供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以及处理器映射，并且用户线程的系统调度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。在这种模式中，用户线程与轻量级进程的数据比是不定的，即为N：M，如下图所示。

                            

4.Java线程实现

        Java线程在JDK1.2之前，是基于称为“绿色线程”的用户线程实现的，而在JDK1.2中，线程模型替换为基于操作系统原生线程模型实现的。因此，在目前的JDK版本中，操作系统支持怎样的线程模型，在很大程度上决定了Java虚拟机的线程是怎样映射的。对SUN JDK来说，它的Windows版与Linux版都是一对一的线程模型实现的，一条Java线程就映射到一条轻量级进程之中。而在Solaris平台中，操作系统可以支持一对一和多对多线程实现的线程模型。

        在HotSpot VM的线程模型中，Java线程被一对一映射为本地操作系统线程。Java线程启动时会创建一个本地操作系统线程；当该Java线程终止时，这个操作系统线程也会被回收。

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，分别为协同式线程调度和抢占式线程调度。

        使用协同式调度的多线程系统，线程的执行时间是由线程本身来控制，线程把自己的工作执行完之后，要主动通知系统切换到另外一个线程上。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之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。

        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，线程切换不由线程本身自己决定。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使用线程的调度方式是抢占式调度。Java语言一共设置了10个级别的线程优先级，在两个线程同时处于Ready状态时，优先级越高的线程越容易被系统选择执行。不过，线程优先级并不是太靠谱，因为Java线程是通过映射到系统的原生线程上实现的，所以线程调度最终还是取决于操作系统。