JVM高级特性与实践（十三）：线程实现与 Java线程调度

Posted 2022-08-01 鸽一门

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了JVM高级特性与实践（十三）：线程实现与 Java线程调度相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

一. 线程的实现

线程其实是比进程更轻量级的调度执行单位。线程的引入，可以把一个检查的资源分配和执行调度分开，各个线程既可以共享资源（内存地址、文件I/O等），又可以独立调度（线程是CPU调度的基本单位）。

线程实现还是 Java线程实现？

主流的操作系统都有提供线程实现，Java语言则提供了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。

Thread类与大部分Java API有显著的差别，因为它所有的关键方法都声明 Native的。在Java API 中，一个Native 方法往往意味着这个方法没有使用或无法使用平台无关的手段。正因如此，此小节标题作为“线程实现”而不是“Java线程实现”。

接下来介绍实现线程的3种主要方式：

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（Kernel-Level Thread）实现

（1）定义

内核线程（Kernel-Level Thread）： 就是直接由操作系统内核（下称内核）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。

多线程内核（Multi-Threads Kernel）：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个事情，支持多线程的内核就叫多线程内核。

（2）轻量级进程（Light Weight Process）

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讲的线程。

（3）轻量级进程与内核线程之间关系

由于每个轻量级线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间1:1 的关系称为一对一的线程模型，如下图所示

（4）轻量级进程的局限性

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，但是轻量级进程有它的局限性：

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来回切换。
每个轻量级进程都需要有一个内存线程的支持，因此轻量级进程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（User Thread）实现

（1）定义

从广义而言，一个线程只要不是内核线程，就可认为是用户线程。因此，轻量级进程也属于用户线程，但轻量级进程实现始终建立在内核线程上，许多操作都要系统调用，效率受到限制。
从狭义而言， 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，不需要内核帮助。

（2）进程与用户进程关系

如果处理得当，此线程不需要切换到内核态，因此操作时非常快速和低耗能的，也可支持大规模线程数量，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的关系如下：

（3）用户线程的优劣势

优势：不需要系统内核支援。
劣势：没有系统内核支援，所有的线程操作都需要用户程序自行处理。

线程的创建、切换和调度都需要考虑，由于操作系统只把处理器资源分配到进程，那“阻塞如何处理”诸如此类问题解决会很困难。

（4）用户线程已被放弃

因而使用用户线程实现的程序一般比较复杂，除了以前在不支持多线程的操作系统中有使用，现在已被抛弃。

3. 使用用户线程加轻量级进程混合实现

（1）介绍

线程除了依赖内核线程实现和完全由用户程序自行实现外，还有一种混合实现，在该实现方式下，既存在用户线程，也存在轻量级进程。

（2）优势

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的用户线程并发。
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线程来完成，大大降低了整个进程被完全阻塞的风险.

（3）用户线程与轻量级进程关系

在这种混合模式中，用户线程与轻量级进程的数量比是不定的，即为 N：M 的关系，如下图所示，这种就是多对多的线程模型

二. Java 线程调度和状态转换

1. Java线程调度

（1）定义

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：协同式线程调度 和抢占式线程调度

（2）协同式线程调度（Cooperative Threads-Scheduling）

定义

在此多线程系统中，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之后，要主动通知系统切换到另外一个线程上。

优劣势

好处：实现简单，由于线程要把自己事情干完才会进行线程切换，切换操作对线程自己是可知的，所以没什么线程同步问题。
坏处：线程执行时间不可控，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。

（3）抢占式线程调度（Preemptive Threads-Scheduling）

定义

在此多线程系统中，每个线程将由系统来分配时间，线程的切换不由线程本身决定（Java中，Thread.yield() 可以让出执行时间，但是线程无法获取执行时间）。

优势

线程执行时间是系统可控的，也不会出现一个线程导致整个进程阻塞的问题。Java使用的线程调度方法就是这个。

（4）Java线程优先级

虽然Java 线程调度是系统自动完成的，但我们还是可以建议系统给某些线程多分配一点执行时间，另外一些线程则可以少分配一点——这项操作可以通过设置线程优先级来完成。Java语言一共设置了10个级别的优先级，在两个线程同时处于 Ready状态，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，原因是因为Java的线程是通过映射到系统的原生线程上来实现的，所以线程调度最终还是取决于操作系统，虽然现在很多os 都提供了线程优先级，但不见得和能与 java线程的优先级一一对应。如 Solaris中有 2^32 种优先级，而windows只有7种。

（5）Java 线程优先级与Windows线程优先级对应关系

下表显示了 Java线程优先级与 Windows 线程优先级之间的对应关系：

（6）优先级可能会被系统自行改变

上文说到的“Java线程优先级并不是太靠谱”，不仅仅是在说一些平台上不同的优先级实际会变得相同这一点，还有其他情况让我们不能太依赖优先级：优先级可能会被系统自行改变。

例如：在Windows 中存在一个称为 “优先级推进器”的功能，作用是当系统发现一个线程执行得特别勤奋的话，可能会越过线程优先级去为它分配执行时间。因此，我们不能在程序中通过优先级来完全准备判断一组状态都为Ready的线程将会先执行哪个。

2. 状态转换

（1）Java语言中线程的6种状态

Java语言定义了6种状态，在任意一个时间点，一个线程只能有且其中一种状态，分别如下：

新建（New）：创建后尚未启动的线程处于这个状态。
运行（Runnable）： Runable包括了os 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分配CPU执行时间，它们要等待被其他线程显式的唤醒。以下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，不过无需等待被其他线程显式唤醒，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）：线程被阻塞了， “阻塞状态”与“等待状态”的区别是：“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）：已经终止线程的线程状态，线程已经结束执行。

（2）状态转换关系图

上述5种状态在遇到特定事件发生时会互相转换，它们的转换关系如下：

三. 总结

上一篇博文结合此篇博文学习了解了虚拟机Java内存模型的结构与操作，还有原子性、可见性、有序性在Java内存模型的体现，先行发生原则的规则及使用。而此篇文章主要是从JVM的角度来探讨实现线程的3种主要方式、Java线程调度与优先级、状态转换。整体而言，第二大点的内容在学习Java语言过程中多少有涉及，并不陌生，主要是第一大点——线程底层实现的主要方式，值得了解学习。

关于“高效并发”这个话题，在这两篇博文中主要介绍了虚拟机如何实现“并发”，在接下来一章学习，将主要关注虚拟机如何实现“高效”，以及虚拟机对开发人员编写并发代码提供了什么优化手段。

若有错误，虚心指教~

以上是关于JVM高级特性与实践（十三）：线程实现与 Java线程调度的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

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