Java线程（十）

10.1 Java与线程

10.1.1 线程的实现

线程的引入，可以把一个进程的资源分配和执行调度分开，各个线程既可以共享进程资源（内存地址、文件I/O等），又可以独立调度（线程是CPU调度的最基本单位）。

Java语言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java.lang.Thread类的实例就代表了一个线程。不过Thread类所有关键方法都被声明为Native。在Java API中一个Native方法可能就意味着这个方法没有使用或无法使用平台无关的手段来实现。

实现线程主要有三种方式：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。

1. 使用内核线程实现

内核线程（Kernel Thread，KLT）就是直接由操作系统内核（Kernel）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（Scheduler）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。每个内核线程都可以看作是内核的一个分身，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多线程内核（Multi-Threads Kernel）。

程序一般不会直接去使用内核线程，而是使用内核线程的一种高级接口—轻量级级进程（Light Weight Process，LWP）,轻量级进程就是我们通常意义上讲的线程，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的关系成为一对一的线程模型。

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他的局限性:首先，由于是局域内核线程实现的，所以各种进程操作，如创建、构析及同步，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（User Mode）和内核态（Kernel Mode）中来回切换。其次，每个轻量级进程都需要有一个内核进程的支持，因此轻量级进程都要消耗一定的内核资源（如内核线程的栈空间），因此一个系统支持轻量级进程的数量是有限的。

2. 使用用户线程实现

广义讲，一个线程只要不是内核线程，那就可以认为是用户线程（User Thread,UT）,因此从这个定义上来讲轻量级进程也属于用户线程，但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，因此效率会受到限制。

而狭义上用户线程指的是完全建立在用户空间的线程库上，系统内核不能感知到线程存在的实现。用户线程的建立、同步、销毁和调度完全在用户态中完成，无需内核的帮助。如果程序实现得当，这种线程不需要切换到内核态，因此啊哦做可以使非常快速且低消耗的，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。

使用用户线程的优势在于不需要系统内核支援，劣势在于没有系统内核的支援，所有线程操作都需要用户线程自己处理。线程的创建、切换、调度都是需要考虑问题，而且由于操作系统只把处理器资源分配到进程，那诸如“阻塞如何处理”、“多处理器系统中如何将线程映射到其他处理器上”这类问题解决起来将会异常困难，甚至不可能完成。现在使用用户线程的程序越来越少，Java曾经使用过用户线程，最终都放弃了。

3. 混合实现

这种混合实现下，既存在用户线程，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、切换、析构等操作依然廉价，并且可以支持大规模用户线程并发。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及处理器映射，并且用户线程的系统调用要通过轻量级进程来完成，大大降低了进程被阻塞的风险。这种混合模式张，用户线程与轻量级进程的数量比不一定，是M:N的关系，是多对多的线程模型。

4.Java线程的实现

Java在JDK1.2之前，是基于名为“绿色线程”的用户线程实现的，1.2中，线程模型被替换为基于操作系统原生线程模型来实现的。因此目前JDK版本汇总，操作系统支持怎样的线程模型，很大程度上就决定了Java虚拟机的线程是怎样映射的，迅疾规范中也并未限定Java线程需要使用那种线程模型来实现。线程模型只对线程的并发规模和操作成本产生影响，对Java程序的编码和运行过程来说，这些差异都是透明的。

对于Sun JDK,它的Windows版与Linux版都是使用一对一的线程模型来实现的，一条Java线程就映射到一条轻量级进程中，因为Windows和Linux系统提供的线程模型就是一对一的。

10.1.2 Java线程调度

线程调度是指系统作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（Cooperative Threads-Scheduling）线程调度和抢占式（Preemptive Threads-Scheduling）线程调度。

协同调度的多线程系统，线程执行时间由线程本身来控制，线程自己工作执行完后，要主动通知系统切换到另外一个线程上去。优点是实现简单，切换操作对线程自己可知，没有线程同步问题。缺点是线程执行时间不可控，可能造成程序阻塞。

抢占式调度多线程系统，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来决定（在Java张，Thread.yield()可以让出执行时间，但是要获取执行时间，线程本身没有什么办法）。这样，线程执行时间是可控的，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。

虽然Java线程调度室系统自动完成，但是还是可以通过设置线程优先级来分配执行时间。不过，线程优先级并不太靠谱，原因是Java线程是被映射到系统的原生线程上实现的，所以线程调度最终还是由操作系统说了算。

10.1.3 状态转换

Java语言定义了5中线程状态，在任意时间点，一个进程只能有且只有其中一种状态，这5种状态分别是：

• 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，也可能正在等待CPU为它分配执行时间。
• 无限期等待（Waiting）:处于这种状态的进程不会被分配CPU执行时间，它们要等待被其他线程显式地唤醒。以下方法会让线程陷入无限期等待状态：
  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）:处于这种状态的进程也不会被分配CPU执行时间，不过无须等待被其他线程显式地唤醒，在一定时间之后它们会由系统自动唤醒。以下方法会让线程进入限期等待状态：
  Thread.sleep()方法；
  设置了Timeout参数的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）:进程被阻塞，“阻塞状态”与“等待状态”区别是：“阻塞状态”在等待获取到一个排它锁，这个事件将在另外一个线程放弃这个锁时发生；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时，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。