深入理解JAVA虚拟机阅读随笔（三）Java与线程

java工程师对线程一般都不难理解，我们知道线程是进程中的一条执行工作，知道多线程与单线程的区别，但很少有人知道线程的实现原理是什么，java虚拟机是怎样在服务器上创建并执行一条线程的，这就是本篇文章所要讲解的内容。

• 什么是线程

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的资源（内存地址、文件I/O等），又可以独立调度（线程是CPU调度的基本单位）。

• 线程的实现方式

线程的实现方式有三种：使用内核线程实现、使用用户线程库实现、使用用户线程加轻量级进程混合实现。

1.使用内核线程实现

内核线程（Kernel-Level Thread,KLT）是直接由操作系统内核（Kernel，下面简称内核）支持的，这种线程由内核来完成线程的切换，内核通过操纵调度器（Scheduler）对线程进行调度，并负责将线程映射到各个处理器上。每个内核线程可以视为内核的一个分身，这样一个内核就可以处理多个线程，支持多线程的内核就叫做多线程内核（Multi-Threads Kernel）。

程序一般不会直接使用内核线程，而是通过内核线程的一个高级接口-轻量级进程（Light Weight Process,LWP）使用，轻量级进程就是我们通常意义上讲的线程，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，才能支持轻量级进程。这种轻量级进程和内核线程之间1:1的关系称为一对一的内核模型。如果12-3所示：

由于内核线程的支持，每一个轻量级进程都是一个独立的调度单位，各个轻量级进程之间互不影响。由于是直接操作单个内核线程，轻量级进程的线程操作，析构以及同步，都需要系统调用，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）之间来回切换。其次，由于一条轻量级进程对应一条内核线程，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

广义上讲，一个县城如果不是内核线程，就都是用户线程（User Thread,UT）。从这个角度来说，轻量级进程也是用户线程，但轻量级进程始终是由内核线程实现的，效率会受到限制；狭义上讲，用户线程是完全建立在用户空间的线程库上，系统内核完全感受不到线程存在的实现。如果程序实现得当，这种线程不需要切换到内核态，且效率更高，资源消耗更小，能支持的并发数更高，部分高性能的数据库中的多线程就是通过用户线程来实现的，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。如图：

使用用户线程的优势在于不需要使用内核线程，但相对的，由于所有的线程操作都需要用户程序来处理，实现起来非常复杂。线程的创建，切换和调度都需要考虑，而且由于操作系统只把处理器资源分配到进程，那诸如“阻塞如何处理”，“多处理器系统中如何将线程映射到其他处理器中”这类问题解决起来将会异常困难，甚至不能完成。因而除了在不支持多线程的操作系统（如DOS）的多线程程序和少数特殊的程序外，现在使用用户线程实现多线程的程序越来越少了，Java、Ruby都曾经在使用过用户线程后最终又放弃了它。

• 使用用户线程加轻量级进程混合实现

通过在用户线程中调用轻量级进程来调度内核线程，弥补了用户线程的缺陷。这种是多对多的线程模型。如图：

• Java线程的实现

在JDK1.2之前，线程是基于“绿色线程”（Green Threads）的用户线程实现的，1.2之后线程模型替换为基于操作系统原生线程模型实现。因此，在目前的版本中，很大程度上决定于java虚拟机的线程是怎样映射的，虚拟机规范中也未规定这一部分要通过那种方式实现。Sun JDK的windows版和linux版都是使用一对一的线程模型实习的。而在Solaris平台中，由于操作系统同时支持一对一和多对多的线程模型，因此，Solaris的JDK提供了-XX:+UseLPWSynchronization(默认)和-XX:+UseBoundThreads两个参数来决定。

• Java的线程调度

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

协同式线程调度是一条线程在执行完毕以后，主动通知系统切换到另一条线程上，实现简单，不存在线程同步问题。但是有一个弊端，当由于某些原因导致单条线程阻塞，那有可能导致系统崩溃；抢占式线程调度是每个线程的执行时间由系统来控制，这样线程之间不会相互影响进度。java就是通过这种方式进程线程调度的。

java可以通过设置线程优先级来决定哪些线程可以优先获取CPU使用权，但是这样的设置也不是一定有效的，取决于java中的优先级与系统的优先级的匹配度。Java中一共设置了十个优先级，如果操作系统的优先级比java的优先级少，那一定存在java的某些优先级是在系统中处于一个级别。

• 状态转换

Java语言定义了五种线程状态，在任意一个时间点，一个线程只能有且只有一种状态。这五种状态分别是：

1.新建（NEW） 创建后尚未启动的线程

2.运行（Runable）这个状态包括了线程的Running（正在执行）和Ready（等待CPU）。

3.无限期等待（Waiting）不分配CPU执行时间，等待其他线程显示的唤醒。以下方法会让线程进入Waiting状态：

   没有设置Timeout的Object.wait()。

   没有设置Timeout的Thread.join()。

   LockSupport.park()。

4.限期等待（Timed Waiting）同上，但是在一定时间后会由系统唤醒。以下方法会让线程进入Waiting状态：

   Thread.sleep()。

    设置Timeout的Object.wait()。

    设置Timeout的Thread.join()。

    LockSupport.parkNanos()。

    LockSupport.parkUntil()。

5.阻塞（Blocked）线程等待进入同步区域的时候。

6.结束（Terminated）执行结束。