《Java 并发编程实战》阅读笔记1系列：Java线程-原理篇

谁践踏了优雅 2023-01-10 05:27 155阅读 0赞

# Java 线程 #

*  线程是比进程更轻量级的调度执行单位，CPU 调度的基本单位就是线程。
 *  线程的引入，将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 I/O 等），又可独立调度。

#### Java 线程学习地图 ####

![Java线程-xmind][Java_-xmind]

# Java 线程：原理篇 #

*  Java 线程：原理篇
    
     *  线程的调度
     *  线程的实现原理
        
         *  三种线程的实现方式
            
             *  使用内核线程实现
                
                 *  优点和缺点
             *  使用用户线程实现
                
                 *  优点和缺点
             *  使用用户线程加轻量级进程
         *  Java 线程的实现

## 线程的调度 ##

*  **协同式线程调度：** 线程的执行时间由线程本身来控制，线程执行完自己的任务之后，主动通知系统切换到另一个线程。
    
     *  **优点：** 实现简单，没有线程同步的问题。
     *  **缺点：** 线程执行时间不可控，如果一个线程编写有问题一直无法结束，程序会一直阻塞在那里。
 *  **抢占式线程调度：** 每个线程由系统分配执行时间，系统决定切不切换线程。
    
     *  Java 使用的线程调度方式就是这种！（鬼知道你会把程序写成什么样子，所以还是安全第一）

## 线程的实现原理 ##

### 三种线程的实现方式 ###

#### 使用内核线程实现 ####

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内核线程（KLT），就是直接由操作系统支持的线程，不过当然不是我们的程序可以直接去操作操作系统的进程（那样实在是太危险了），而是程序可以通过调用内核线程的一种高级接口 —— 轻量级进程（LWP），来操作内核进程。也就是说，LWP 和 KLT 之间是 1:1 的关系，因此我们也称这种模型为一对一的线程模型。

这类似于一种代理模式，LWP 就是代理对象，而 KLT 则是被代理对象，我们把任务请求发给代理人 LWP，然后 LWP 会通过调用真实具备执行任务能力的被代理人 KLT 去执行任务。

##### 优点和缺点 #####

*  **优点：**
    
     *  每个 LWP 都是一个独立的调度单元，即便有一个 LWP 在调用过程中阻塞了，也不会影响整个进程继续工作，系统的稳定性会比较好。
     *  线程的调度和各种操作都委托给了操作系统，所以实现上比较简单。
 *  **缺点：**
    
     *  各种线程操作（创建、析构、同步等）都需要进行系统调用，而系统调用的代价较高，需要在用户态和内核态中来回切换，这会消耗掉一些时间。
     *  每个 LWP 都需要一个 KLT 支持，也就是说，每个 LWP 都会消耗掉一部分内核资源（内核线程和栈空间），因此系统可以支持的 LWP 数量是有限的。

> 在早期的 Linux 系统里，是没有线程支持的，也就是说，操作系统的资源分配单元是进程，执行单元也是进程（不像现在的执行单元是线程），相当于每个进程都是单线程的。每个进程还是像现在这样，有自己的内存、文件描述符和 I/O 端口等，其他进程不能访问你的，同时你也不能访问其他进程的。然后每个进程在 CPU 上分时执行。
> 
> 后来，人们发现并发程序的好了，觉得以进程为执行单元有点太繁琐了，每次切换执行单元需要切换的上下文太多了，于是就引入了线程的实现。
> 
> 其实线程的概念很在就有了，不过在操作系统中大规模使用要比概念的提出完了 20 年左右。

#### 使用用户线程实现 ####

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狭义上，用户线程（UT）指的是完全建立在用户空间的线程，即操作系统是感知不到线程的存在的，它只知道那个掌管着这些 UT 的进程 P。因此，进程和 UT 之间的比例为 1:N。

##### 优点和缺点 #####

*  **优点：**
    
     *  UT 的创建、同步、销毁、调度都是在用户态完成的，完全不需要切换到内核态，因此各种线程操作可以是非常快速和低消耗的。
     *  由于进程和 UT 之间的比例为 1:N，所以可以支持更大规模的 UT 数量。
 *  **缺点：**
    
     *  由于没有系统内核的支持，所以所有的线程操作都需要自己实现，这就使得 UT 的实现程序一般都比较复杂，而且事实证明，我们很难实现的比操作系统好。
        
         *  现在使用 UT 的程序越来越少了，Java 和 Ruby 等语言都曾使用过 UT ，最后都放弃了…

#### 使用用户线程加轻量级进程 ####

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这种模式下，既存在用户线程，也存在轻量级线程。在这种模型下：

*  UT 还是只存在于用户空间，因此线程的创建、同步、销毁的消耗依旧很小，同时也可以支持很多线程并发。
 *  对于线程的调度，则通过 LWP 作为 UT 和 KLT 之间的桥梁，这样就可以使用操作系统提供的线程调度功能和处理器映射了。
 *  UT 的系统调用要通过 LWP 完成，大大降低了整个进程被完全阻塞的风险。
 *  UT 和 LWP 之间的比例是不确定的，即为 N:M 的关系。

> 一些 UNIX 操作系统提供了 N:M 线程模型的实现，如 Solaris、HP-UX，不过一般并不主流。

### Java 线程的实现 ###

根据上一节的描述，是不是看起来后两种实现方法从原理上讲更好、更高级、更牛逼的样子，不过实际情况可能和我们想的不太一样，复杂的实现往往会带来更多的问题（这是因为，想要体现复杂方法的优势，首先需要它能被完美的执行，而由于其复杂性，如何让它完美的执行这个事情本身，就是一个问题），所以有时候，往往是那些效率并没有被发挥到极致的简单方法，更受大家青睐。

JDK 1.2 之前，Java 线程是基于名为 Green Thread 的用户线程实现的，JDK 1.2 之后，被替换为基于操作系统原生线程模型来实现。对于目前的 JDK 版本，这将取决于操作系统支持怎样的线程模型，虚拟机规范中并没有规定 Java 线程必须使用哪种线程模型来实现。

对于 Sun JDK，它的 Windows 和 Linux 平台使用的都是 1:1 的线程模型，即第一种线程实现方式，每条 Java 线程都会被映射进一条轻量级进程中，因为 Windows 和 Linux 系统提供的线程模型就是一对一的。

看起来还是简单的实现更易掌控，更受欢迎呀！这也很符合 Unix 小而美的哲学呀~

上一篇：Java线程：使用篇

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参考文章：

*  [深入聊聊java线程模型实现？ - 海纳的回答 - 知乎][java_ - _ -]

[Java_-xmind]: /images/20221119/c66d23678d70413a90705f85a9499296.png
[c4d1ce364e8e40edbbd64b8173ece9af.png]: /images/20221119/152eb2ec715e4f20bc4a20d28dda7e25.png
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[java_ - _ -]: https://www.zhihu.com/question/263955521/answer/296521081