Java的线程实现

线程的实现

线程是CPU调度的基本单位。主流的操作系统都提供了线程实现，Java语言则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。Thread类的所有关键方法都是声明为Native的，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来实现。

1. 使用内存线程实现

内核线程（Kernel-Level 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。

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（Light Weight Process，LWP），轻量级进程就是我们通常意义上所讲的线程，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之间1:1的关系称为一对一的线程模型。

一对一线程模型

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。但是轻量级进程也有它的局限性：首先，由于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（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），所以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

狭义上的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，因此操作可以是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的关系成为一对多的线程模型。

一对多线程模型

使用用户线程的优势在于不需要系统内核支援，劣势也在于没有系统内核的支援，所有的线程操作都需要用户程序自己处理，实现起来异常复杂，甚至不可能完成。Java、Ruby等语言都曾经使用过用户线程，但最终又都放弃使用它了。

3. 使用用户线程加轻量级进程混合实现

多对多线程模型

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的用户线程并发。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，大大降低了整个进程被完全阻塞的风险。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，也就是多对多的线程模型。

Java线程

1. Java线程的实现

在目前的JDK版本中，操作系统支持怎样的线程模型，在很大程度上决定了Java虚拟机的线程是怎样映射的，这点在不同的平台上没有办法达成一致。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。

2. Java线程调度

线程调度是指系统为系统分配处理器使用权的过程，主要调度方式有两种：协同式线程调度（Cooperative Threads-Schedulilng）和抢占式线程调度（Preemptive Threads-Scheduling）。

如果使用协同式调度的多线程系统，线程的执行时间由线程本身来控制，线程把自己的工作执行完了之后，要主动通知系统切换到另外一个线程上。它的坏处很明显：线程执行时间不可控制，甚至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。

如果使用抢占式调度的多线程系统，那么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（在Java中，可以通过Thread.yield()让出时间，但要获得执行时间，线程本身是没有办法的）。在这种实现线程调度的方式下，线程的执行时间是系统可控的，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。（新版本可能会提供协同式来进行多任务处理）。

虽然Java线程调度是系统自动完成的，但是我们可以“建议”系统给某些线程多一点执行时间，另外一些线程少分配一点，这就要通过设置线程优先级来完成。Java语言一共设置了10个级别的线程优先级，从Thead.MIN_PRIORITY到Thread.MAX_PRIORITY。在两个线程同时处于Ready状态时，优先级越高的线程越容易被系统选择执行。

3. Java线程的状态转换

线程状态转换关系

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，它们要等待被其它线程显示地唤醒。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，但是无须等待被其它线程显示地唤醒，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Tiimeout参数的Thread.join()方法
• LockSupport.parkNanos()方法
• LockSupport.parkUntil()方法

阻塞（Blocked）：线程被阻塞了，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。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）：已终止线程的线程状态，表示线程已经结束运行。