一、线程的实现

学过操作系统的肯定都知道:

  • 进程:是并发执行的程序在执行过程中分配和管理资源的基本单位,是一个动态概念,竞争计算机系统资源的基本单位。
  • 线程:是进程的一个执行单元,是进程内可调度实体。比进程更小的独立运行的基本单位。线程也被称为轻量级进程。

  线程是比进程更轻量级的调度执行单元,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,又可以独立调度(线程是CPU调度的基本单元)

线程的实现有3中方式:

  1. 使用内核线程实现

      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。
    缺点

    • 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(User Mode)和内核态(KernelMode)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),因此一个系统支持轻量级进程的数量是有限的。
  2. 使用用户线程实现

      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。
    成也风云,败也风云,用户线程无需内核,但是少了内核,缺点如下:

    1. 没有了系统内核的支持,用户线程的创建、切换,调度、阻塞、多处理器任务分配等将很难实现甚至不可能实现。因此线程已经用的很少了。
  3. 使用用户线程加轻量级进程混合实现

    对以上两种不同的实现方式取长补短,既能实现用户线程的低开销,又能实现内核线程的内核调度。同时适用于多处理器。

二、java中线程的实现

  上面所讲的都是基于操作的线程实现,不同的操作系统中对于线程的实现细节可能会有细微的差别,但是我们都知道java的一大特性就是“write once,run anywhere”,那么在jvm中是怎么实现的呢?

    • Java线程在JDK 1.2之前,是基于称为“绿色线程”(Green Threads)的用户线程实现的。
    • 在JDK 1.2中,线程模型替换为基于操作系统原生线程模型来实现。因此,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。

三、java中线程的调度

  线程调度是指系统为线程分配处理器使用的过程,主要有两种调度方式:

  1. 协同式调度
  2. 抢占式调度
    • 协同式调度:线程的执行时间由线程本身决定,线程把自己的工作执行完成后,要主动通知系统交还处理器使用权,再切换到其他的线程。优点:实现简单,而且切换操作对于线程本身是可知的所以不存在线程同步的问题。缺点: 容易死机,系统崩溃。如果其中一个线程作怪,整个系统挂掉。
    • 抢占式调度:每个线程的处理器使用权的时间由系统分配,线程的切换不由本身控制,但是在有用处理器使用权利的时候,可以主动让出(在Java中,Thread.yield()可以让出执行时间,但是要获取执行时间的话,线程本身是没有什么办法的)。这样就算一个一个线程作怪,其他的线程也还是有机会执行的。如果我们希望某个线程可以多执行一下,可以人为的调高自身的线程优先级,不过,线程优先级并不是太靠谱,原因是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,虽然现在很多操作系统都提供线程优先级的概念,但是并不见得能与Java线程的优先级一一对应。

四、java线程的状态

  1. 新建(New):创建后尚未启动的线程处于这种状态。

  2. 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。

  3. 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,不过无须等待被其他线程显式地唤醒,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Timeout参数的Thread.join()方法。
    • LockSupport.parkNanos()方法。
    • LockSupport.parkUntil()方法。
  4. 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。

  5. 结束(Terminated):已终止线程的线程状态,线程已经结束执行。

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