各语言使用的是哪种线程模型？

Posted 2022-12-28 dakunqq

问题

（1）线程类型有哪些？

（2）线程模型有哪些？

（3）各语言使用的是哪种线程模型？

简介

在Java中，我们平时所说的并发编程、多线程、共享资源等概念都是与线程相关的，这里所说的线程实际上应该叫作“用户线程”，而对应到操作系统，还有另外一种线程叫作“内核线程”。

用户线程位于内核之上，它的管理无需内核支持；而内核线程由操作系统来直接支持与管理。几乎所有的现代操作系统，包括 Windows、Linux、Mac OS X 和 Solaris，都支持内核线程。

最终，用户线程和内核线程之间必然存在某种关系，本章我们一起来学习下建立这种关系常见的三种方法：多对一模型、一对一模型和多对多模型。

多对一模型

多对一线程模型，又叫作用户级线程模型，即多个用户线程对应到同一个内核线程上，线程的创建、调度、同步的所有细节全部由进程的用户空间线程库来处理。

优点：

• 用户线程的很多操作对内核来说都是透明的，不需要用户态和内核态的频繁切换，使线程的创建、调度、同步等非常快；

缺点：

• 由于多个用户线程对应到同一个内核线程，如果其中一个用户线程阻塞，那么该其他用户线程也无法执行；

• 内核并不知道用户态有哪些线程，无法像内核线程一样实现较完整的调度、优先级等；

许多语言实现的协程库基本上都属于这种方式，比如python的gevent。

一对一模型

一对一模型，又叫作内核级线程模型，即一个用户线程对应一个内核线程，内核负责每个线程的调度，可以调度到其他处理器上面。

优点：

• 实现简单【本篇文章由公众号“彤哥读源码”原创】；

• 　　public class LoggingService : ServiceControl
  　　
  　　private const string _logFileLocation = @"C:\temp\servicelog.txt";
  　　
  　　private void Log(www.qjljdgt.cn string logMessage)
  　　
  　　Directory.CreateDirectory(Path.GetDirectoryName(www.baiyytwg.com/_logFileLocation));
  　　
  　　File.AppendAllText(www.bsylept.com_logFileLocation,
  　　
  　　DateTime.UtcNow.ToString() + " : " + logMessage + Environment.NewLine)
  　　
  　　public bool Start(HostControl hostControl)
  　　
  　　Log("Starting"www.yuanyangyuL.com);
  　　
  　　return true;

  　　public bool Stop(HostControl hostControl)
  　
  　　Log("Stopping"www.xcdeyiju.com);
  　　
  　　return true
  　　
  　　代码看起来是不是很简单？
  　　
  　　这里我们的服务类继承了ServiceControl类（实际上并不需要，但是这可以为我们的工作打下良好的基础）。我们必须实现服务开始和服务结束两个方法，并且像以前一样记录日志。
  　　
  　　在Program.cs文件的Main方法中，我们要写的代码也非常的简单。我们可以直接使用HostFactory.Run方法来启动服务。
  　　
  　　Copy
  　　
  　　static void Main(string[] args)
  　　
  　　HostFactory.Run(www.xgjrfwsc.cn => www.jintianxuesha.com.Service<LoggingService>());
  　　
  　　这看起来真是太简单了。但这并不是HostFactory类的唯一功能。这里我们还可以设置
  　　
  　　服务的名称
  　　
  　　服务是否自动启动
  　　
  　　服务崩溃之后的重启时间
  　　
  　　Copy
  　　
  　　static void Main(string[] args)
  　　
  　　
  　　
  　　HostFactory.Run(x =>
  　　
  　　
  　　
  　　x.Service<LoggingService>();
  　　
  　　x.EnableServiceRecovery(r => r.RestartService(TimeSpan.FromSeconds(10)));
  　　
  　　x.SetServiceName("TestService");
  　　
  　　x.StartAutomatically();
  　　
  　　
  　　
  　　);
  　　
  　　
  　　
  　　这里其实能说的东西很多，但是我建议你还是自己去看看Topshelf的文档，学习一下其他的配置选项。基本上你能使用Windows命令行完成的所有操作，都可以使用代码来设置： https://topshelf.readthedocs.io/en/latest/configuration/config_api.html
  　　
  　　部署服务#
  　　
  　　和之前一样，我们需要针对不同的Windows环境发布我们的服务。在Windows命令提示符下，我们可以在项目目录中执行以下命令：
  　　
  　　Copy
  　　
  　　dotnet publish -r win-x64 -c Release
  　　
  　　现在我们就可以查看一下bin\Release\netcoreappX.X\win-x64\publish目录，我们会发现一个编译好的exe，下面我们就会使用这个文件来安装服务。
  　　
  　　在上一篇文章中，我们是使用SC命令来安装Windows服务的。使用Topshelf我们就不需要这么做了，Topshelf提供了自己的命令行参数来安装服务。基本上使用代码能完成的配置，都可以使用命令行来完成。
  　　
  　　你可以查看相关的文档：
  　　
  　　<http://docs.topshelf-project.com/en/latest/overview/commandline.html>
  　　
  　　Copy
  　　
  　　WindowsServiceExample.exe install
  　　
  　　这里WindowsServiceExample.exe是我发布之后的exe文件。运行以上命令之后，服务应该就正常安装了！这里有一个小问题，我经常发现，即使配置了服务自动启动，但是服务安装之后，并不会触发启动操作。所有在服务安装之后，我们还需要通过以下命令来启动服务。
  　　
  　　Copy
  　　
  　　WindowsServiceExample.exe start
  　　
  　　在生产环境部署的时候，我的经验是在安装服务之后，等待10秒钟，再启动服务。
  　　
  　　调试服务#
  　　
  　　当我们是使用微软推荐方式的时候，我们会遇到了调试困难的问题。大多数情况下，无论是否在服务内部运行，我们都不得不使用命令行标志、#IF DEBUG指令或者配置值来实现调试。然后使用Hack的方式在控制台程序中模拟服务。
  　　
  　　因此，这就是为什么我们要使用Topshelf。
  　　
  　　如果我们的服务代码已经在Visual Studio中打开了，我们就可以直接启动调试。Topshelf会模拟在控制台中启动服务。我们应该能在控制台中看到以下的消息。
  　　
  　　Copy
  　　
  　　The TestService service is now running, press Control+C to exit.
  　　
  　　这确实符合了我们的需求。它启动了我们的服务，并像真正的Windows服务一样在后台运行。我们可以像往常一样设置断点，基本上它遵循的流程和正常安装的服务一样。
  　　
  　　我们可以通过ctrl+c, 来关闭我们的应用，但是在运行服务执行Stop方法之前，它是不能被关闭的，这使我们可以调试服务的关闭流程。与调试指令和配置标志相比，这要容易的多。
  　　
  　　这里需要注意一个问题。如果你收到的以下内容的消息：
  　　
  　　Copy
  　　
  　　The TestService service is running and must be stopped before running via the console
  　　
  　　这意味着你尝试调试的服务实际上已经作为Windows服务被安装在系统中了，你需要停止（不需要卸载）这个正在运行的服务，才可以正常调试。
  　　
  　　后续#
  　　
  　　在上一篇中，有读者指出.NET Core中实际上已经提供了一种完全不同的方式运行Windows服务。它的实质是利用了ASP.NET Core中引入的“托管服务”模型，并允许它们作为Windows服务来运行，这真的是非常的棒。

缺点：

• 对用户线程的大部分操作都会映射到内核线程上，引起用户态和内核态的频繁切换；

• 内核为每个线程都映射调度实体，如果系统出现大量线程，会对系统性能有影响；

Java使用的就是一对一线程模型，所以在Java中启一个线程要谨慎。

多对多模型

多对多模型，又叫作两级线程模型，它是博采众长之后的产物，充分吸收前两种线程模型的优点且尽量规避它们的缺点。

在此模型下，用户线程与内核线程是多对多（m : n，通常m>=n）的映射模型。

首先，区别于多对一模型，多对多模型中的一个进程可以与多个内核线程关联，于是进程内的多个用户线程可以绑定不同的内核线程，这点和一对一模型相似；

其次，又区别于一对一模型，它的进程里的所有用户线程并不与内核线程一一绑定，而是可以动态绑定内核线程， 当某个内核线程因为其绑定的用户线程的阻塞操作被内核调度让出CPU时，其关联的进程中其余用户线程可以重新与其他内核线程绑定运行。

所以，多对多模型既不是多对一模型那种完全靠自己调度的也不是一对一模型完全靠操作系统调度的，而是中间态（自身调度与系统调度协同工作），因为这种模型的高度复杂性，操作系统内核开发者一般不会使用，所以更多时候是作为第三方库的形式出现。

优点：

• 兼具多对一模型的轻量；

• 由于对应了多个内核线程，则一个用户线程阻塞时，其他用户线程仍然可以执行；

• 由于对应了多个内核线程，则可以实现较完整的调度、优先级等；

缺点：

• 实现复杂【本篇文章由公众号“彤哥读源码”原创】；

Go语言中的goroutine调度器就是采用的这种实现方案，在Go语言中一个进程可以启动成千上万个goroutine，这也是其出道以来就自带“高并发”光环的重要原因。

后面讲到Java中的ForkJoinPool的时候，我们会拿Go语言的PMG线程模型来对比讲解。

总结

（1）线程分为用户线程和内核线程；

（2）线程模型有多对一模型、一对一模型、多对多模型；

（3）操作系统一般只实现到一对一模型；

（4）Java使用的是一对一线程模型，所以它的一个线程对应于一个内核线程，调度完全交给操作系统来处理；

（5）Go语言使用的是多对多线程模型，这也是其高并发的原因，它的线程模型与Java中的ForkJoinPool非常类似；

（6）python的gevent使用的是多对一线程模型；

彩蛋

你所学过的语言都是使用的什么线程模型呢？

推荐阅读

1、死磕 java集合系列

2、死磕 java原子系列

3、死磕 java同步系列