☕【Java 技术之旅】从底层角度去认识线程的原理

每日一句

当别人放弃的时候，你还在坚持，你就已经成功了！

前提概要

并发并不一定只依赖多线程的技术，但编程领域里谈论并发大多数情况下都与线程脱离不了关系。

线程的介绍

线程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 IO 等)，又可以独立调度（线程是 CPU 调度执行的基本单位）。

线程的实现

线程的实现方式主要有三种方式：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。

内核线程实现

内核线程（KLT，Kernel-Level Thread），直接由操作系统内核（Kernel，即内核）支持的线程。

• 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（逻辑内核）可以视为内核（物理内核）的一个分身，这样操作系统就有能力同时处理多件事情，支持多线程的内核叫做多线程内核（物理内核中有多个逻辑内核）。

轻量级进程技术（LWP）

• 程序一般不会去直接使用内核线程，而是去使用内核线程的一种高级接口——轻量级进程（LWP），即通常意义上的线程。

• 一个进程可以拥有多个轻量级进程，每个轻量级进程又有与之对应的内核线程（KLT）

• 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。

• 轻量级进程与内核线程之间 1:1 关系称为一对一的线程模型。

• 通过内核调度器进行调度相关的内核线程去分配到不同的 cpu 处理器区执行（物理处理器）

• 内核线程保证了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的继续工作。

轻量级进程技术局限

基于内核线程实现，因此各线程操作等需要系统调用，系统调用代价高，需要在用户态和内核态来回切换，其次，每个轻量级进程都需要一个内核线程的支持，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。

使用用户线程实现

广义上，内核线程以外，就是用户线程：轻量级进程也算用户线程，但轻量级进程的实现始终是建立在内核上的，许多操作都要进行系统调度，效率会受到限制。

狭义上，用户线程指完全建立在用户空间的线程库上。这种线程不需要切换内核态，效率非常高且低消耗，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。

• 用户线程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，所有的线程操作都是需要用户程序自己处理。

• 阻塞处理等问题的解决十分困难，甚至不可能完成。所以使用用户线程会非常复杂。

用户线程加轻量级进程混合实现

本质是内核线程与用户线程混合使用，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，大大降低整个进程被完全阻塞的风险。

用户线程与轻量级进程比例是 N:M。

Java 中的线程

Java 中的线程对象用 Thread 类来表示，Thread 类的所有关键方法都声明了 native 的，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，也有可能是为了执行效率。

不同版本 Java 中的线程的实现

• JDK1.2 之前：绿色线程—纯用户线程。

• JDK1.2 之后：基于操作系统原生线程模型来实现。Sun JDK，它的 Windows 版本和 Linux 版本都使用一对一的线程模型实现，Java 线程就映射到一条轻量级进程之中。Solaris 同时支持一对一和多对多。

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，主要调度方式分两种：分别是协同式线程调度和抢占式线程调度。

• 协同式线程调度，线程执行时间由线程本身来控制，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。最大好处是实现简单，且切换操作对线程自己是可知的，没啥线程同步问题。坏处是线程执行时间不可控制，如果一个线程有问题，可能一直阻塞在那里。

• 抢占式调度，每个线程将由系统来分配执行时间，线程的切换不由线程本身来决定（Java 中，Thread.yield()可以让出执行时间，但无法获取执行时间）。线程执行时间系统可控，也不会有一个线程导致整个进程阻塞。

Java 线程调度就是抢占式调度。

• 系统能给某些线程多分配一些时间，给一些线程少分配一些时间，可以通过设置线程优先级来完成。

• Java 语言一共 10 个级别的线程优先级（Thread.MIN_PRIORITY 至 Thread.MAX_PRIORITY），在两线程同时处于 ready 状态时，优先级越高的线程越容易被系统选择执行。但优先级并不是很靠谱，因为 Java 线程是通过映射到操作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。

状态转换

Java 定义了 5 种线程状态，在任意一个点一个线程只能有且只有其中一种状态。无限等待和等待可以算在一起。所以共五种。

1. 新建(New)：创建后尚未启动的线程。

2. 运行(Runnable)：Runnable 包括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，也有可能等待 CPU 为它分配执行时间。线程对象创建后，其他线程调用了该对象的 start()方法。该状态的线程位于“可运行线程池”中，变得可运行，只等待获取 CPU 的使用权。即在就绪状态的进程除 CPU 之外，其它的运行所需资源都已全部获得。

3. 无限期等待(Waiting)：该状态下线程不会被分配 CPU 执行时间，要等待被其他线程显式唤醒。如没有设置 timeout 的 object.wait()方法和 Thread.join()方法，以及 LockSupport.park()方法。

4. 限期等待(Timed Waiting)：不会被分配 CPU 执行时间，不过无须等待被其他线程显式唤醒，在一定时间之后会由系统自动唤醒。如 Thread.sleep()，设置了 timeout 的 object.wait()和 thread.join()，LockSupport.parkNanos()以及 LockSupport.parkUntil()方法。

5. 阻塞（Blocked）:线程被阻塞了。与等待状态的区别是：阻塞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；而等待则在等待一段时间，或唤醒动作的发生。在等待进入同步区域时，线程将进入这种状态。

阻塞状态是线程因为某种原因放弃 CPU 使用权，暂时停止运行。直到线程进入就绪状态，才有机会转到运行状态。（yield 或者 synchronized 同步锁）的场景

阻塞的情况分三种：

• (1)、等待阻塞：运行的线程执行 wait()方法，该线程会释放占用的所有资源，JVM 会把该线程放入“等待池”中。进入这个状态后，是不能自动唤醒的，必须依靠其他线程调用 notify()或 notifyAll()方法才能被唤醒，即无限期等待，此外还有 LockSupport.park()以及先关的 Thread.join 中的本质就是调用了 thread（Object）的 wait 方法

• (2)、**同步阻塞：运行的线程在获取对象的同步锁时，若该同步锁被别的线程占用，则 JVM 会把该线- 程放入“锁池”中（synchronized）。 **

• (3)、其他阻塞：运行的线程执行 sleep()或 join()方法，或者发出了 I/O 请求时，JVM 会把该线程置为阻塞状态。当 sleep()状态超时、join()等待线程终止或者超时、或者 I/O 处理完毕时，线程重新转入就绪状态。即限期等待。此外还有 LockSupport.park(timeout)等

1. 结束(Terminated)：线程执行完了或者因异常退出了 run()方法，该线程结束生命周期。

这种情况下，五个状态分为 新建，就绪，运行，阻塞，终止，如下图所示。