提起线程，你不了解的那些事
Posted 扛麻袋的少年
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了提起线程，你不了解的那些事相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
对 MESI 缓存一致性协议，有了初步的了解后，本文来介绍偏内容性的一个话题：
线程。 Java 开发者对多线程一定不会陌生，那么线程到底是啥？Java 又是如何利用多线程来调度/使用 CPU 来完成操作的呢。
1.什么是线程
线程（英语：thread）是操作系统调度CPU的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位，进程是系统分配资源的基本单位。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，一个进程中可以并发多个线程，每条线程并行执行不同的任务。[BaiDu：线程]
每个线程都有一个程序计数器（记录要执行的下一条指令），一组寄存器（保存当前线程的工作变量），堆栈（记录执行历史，其中每一帧保存了一个已经调用但未返回的过程）
JVM 本身是没有调度 CPU 的能力。JVM 需要安装在操作系统上，JVM 中的 Thread 线程是依附于操作系统的(Java的线程在JDK1.2版本之前，是由用户自己去创建、维护、调度线程的；1.2版本后，JVM 线程依赖于底层的操作系统)
线程又分为两种：
- 内核级线程（Kernel-Level Thread） 简称：
KLT - 用户级线程（User-Level Thread） 简称：
ULT
1.用户级线程
用户线程，指不需要内核支持而在用户程序中实现的线程，其不依赖于操作系统核心。应用进程利用线程库提供创建、同步、调度和管理线程的函数来控制用户线程。不需要用户态/核心态切换，速度快，操作系统内核不知道多线程的存在，因此一个线程阻塞将使得整个进程（包括它的所有线程）阻塞。由于这里的处理器时间片分配是以进程为基本单位，所以每个线程执行的时间相对减少。
我们常说的线程，指的就是用户级线程。
线程模型
一个线程阻塞将使得整个进程（包括它的所有线程）阻塞？这个说法也是不全面的，回答这个问题，就需要简单了解一下线程模型，线程模型分为：
多对一用户级线程模型1对1内核级线程模型多对多两级线程模型
1.多对一用户级线程模型
- 线程的创建、调度、同步，由所属进程的
用户空间线程库实现 - 用户态线程，对内核几乎是透明的（许多操作不需要内核接管）
- 但线程总要有一些操作经过内核，比如系统调用
- 不需要频繁的内核态/用户态切换，处理速度非常快
- 该模式下，当进程的某个线程，系统调用（比如I/O）阻塞时，该进程也会阻塞
- 原因：该模式下，进程的所有线程，都对应一个
内核调度实体（KES），并且内核不知道这个进程有哪些线程。KES无法将其他线程，调度到其他处理器上。该进程（所有的线程）被阻塞，直到本次系统调用（比如I/O）结束
2.一对一内核级线程模型
- 每个
用户线程都对应一个的内核调度实体 - 内核会对每个线程进行调度，可以调度到其他处理器上
- 线程每次操作会在用户态和内核态切换
- 线程数量过多时，对系统性能有影响
3.多对多两级线程模型
- 每个用户线程拥有多个内核调度实体
- 多个用户线程也可以对应一个内核调度实体
- 实现该模型非常复杂
目前（linux）基本上都采用一对一模型
总结
- 线程系统调用阻塞时，在多对1用户级线程模型下，会导致所属进程阻塞。
- 在1对1或多对多模型下，不会导致该问题的发生。
- 如果是单进程单线程的话，不管哪个模型，都会阻塞的。
2.内核级线程
内核线程，由操作系统内核创建和撤销。内核维护进程及线程的上下文信息以及线程切换。一个内核线程由于I/O操作而阻塞，不会影响其它线程的运行。
3.系统空间
系统空间，分为内核空间、用户空间两种。
我们日常安装的 exe ，都属于进程，它是没有资格操作底层的内核空间的。只能通过内核空间提供的交互接口，去操作内核空间。内核空间类似一个封闭的空间，我们不能随便瞎操作，否则很容易造成系统瘫痪。就类似于 Windows 系统的 C 盘重要文件，我们不能随便删除一样。
比如现在我们通过 new Thread 的方式创建一个线程，运行在 JVM 上，这属于一个用户级线程。此时就需要 JVM 进程去调用内核空间提供交互接口，对CPU底层进行操作。
在 CPU 中，以 Intel x86为例，x86处理器是通过Ring级别来进行访问控制的。级别共分4层，RING0,RING1,RING2,RING3。Windows只使用其中的两个级别RING0和RING3。RING0层拥有最高的权限，RING3层拥有最低的权限。按照Intel原有的构想，应用程序工作在RING3层，只能访问RING3层的数据，操作系统工作在RING0层，可以访问所有层的数据，而其他驱动程序位于RING1、RING2层，每一层只能访问本层以及权限更低层的数据。如果普通应用程序企图执行RING0指令，则Windows会显示“非法指令”错误信息。 [本段内容，摘自：BaiDu：Ring0]
用户级线程调度 CPU 资源过程，如图所示：
用户级线程，由进程来管理所有的线程，然后通过交互接口来调用内核空间，去使用CPU资源。JDK 采用的是哪种线程方式( JDK 1.2版本前，使用的是 ULT；JDK 1.2版本之后，使用的是KLT)。如何创建用户级线程，在Java中就是通过 new Thread() 的方式。
2.Java 线程与内核线程的关系
Java 线程和内核线程，是1:1的映射关系。
此处以 Linux 服务器为例，我们通过 new Thread() 创建的用户线程，然后调用 Linux为我们提供的工具类库(pThread类库)来调用交互接口，来调度 Linux 操作系统，由内核空间来创建一个内核栈，去管理线程，最终去调用CPU底层资源。（以 Linux 系统为例，图中的库调度器，指的就是 pThread 类库）
3.Java为什么用并发
并发编程的本质其实就是利用多线程技术，在现代多核的CPU的背景下，催生了并发编程的趋势，通过并发编程的形式可以将多核CPU的计算能力发挥到极致，性能得到提升。除此之外，面对复杂业务模型，并行程序会比串行程序更适应业务需求，而并发编程更能吻合这种业务拆分 。
即使是单核处理器也支持多线程执行代码，CPU通过给每个线程分配CPU时间片来实现这个机制。时间片是CPU分配给各个线程的时间，因为时间片非常短，所以CPU通过不停地切换线程执行，让我们感觉多个线程是同时执行的，时间片一般是几十毫秒（ms）。
并发不等于并行：并发指的是多个任务交替进行，而并行则是指真正意义上的“同时进行”。实际上，如果系统内只有一个CPU，而使用多线程时，那么真实系统环境下不能并行，只能通过切换时间片的方式交替进行，而成为并发执行任务。真正的并行也只能出现在拥有多个CPU的系统中。
并发优点：
- 充分利用多核CPU的计算能力
- 方便进行业务拆分，提升应用性能
并发产生的问题：
- 高并发场景下，导致频繁的
上下文切换； - 线程安全问题，开发考虑不全面，很
容易造成死锁；
1.什么是线程上下文切换
线程在运行过程中，所有的运行信息都是保存在寄存器 和 CPU中。线程 t1 和 t2 进行切换时，线程会先申请 CPU 时间片，切换过程中，线程 t1 失去使用CPU时间片，线程此时会处于暂停状态，线程 t1 计算的中间结果都是存储在我们的缓存中(CPU缓存)，这时候要从线程 t1 切换到线程 t2 。
如果此时线程 t1 还没有执行完，就切换到线程 t2，就需要将线程 t1 执行的中间状态信息（包括指令集、运行到哪行指令、中间变量数据等），都需要通过 CPU 总线，将这些数据回写到主内存中去。【写到主内存的内核空间中的TSS任务状态段中去（以Linux为例）】
线程 t2 执行完后，线程 t1 此时获得了CPU使用权，线程 t2 向线程 t1 切换时，会去主内存中查询线程 t1 对应的 TSS 任务状态段信息，再次加载到CPU缓存、寄存器，再去接着往下执行。
这就叫做线程上下文切换。
2.死锁检测方法
可通过 jps -l 查看当前程序的 pid，然后使用 jstack pid 查看是否死锁
4.Java线程生命周期状态
文末为大家附上 Java 线程的六大状态，以及状态之间如何进行切换
初始化（NEW)运行（RUNNABLE）等待（WAITING）超时等待（TIMED_WAITING）阻塞（BLOCKED)终止（TERMINATED）
更多生命周期状态内容，可以参考以下两篇文章：
参考文章：
2021-11-16，《提起线程，你不了解的那些事》已更新，接下来涉及到的 JMM 内存模型、MESI 协议在 JMM 内存模型中的8种交互操作等内容，如有需要，请持续关注《并发编程》板块！！！
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以上是关于提起线程，你不了解的那些事的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章