「JVM 高效并发」Java 线程

进程是资源分配（内存地址、文件 I/O 等）的基本单位，线程是执行调度（处理器资源调度）的基本单位；

Loom 项目若成功为 Java 引入纤程（Fiber），则线程的执行调度单位可能变为纤程；

在 Java 里实现并发基本都是基于线程的；

1. 线程的实现

Java 语言提供了不同硬件和操作系统平台下对线程操作的统一处理；每个调用过 start() 且还未结束的 java.lang.Thread 类的实例代表一个线程；

• Native 方法，没有使用或无法使用平台无关的手段来实现，或者为了执行效率使用 Native 方法；

线程实现的三种方式

• 内核线程实现（1:1 实现），（Kernel-Level Thread，KLT），直接由操作系统内核支持的线程；由内核完成线程切换，内核通过调度器（Scheduler）进行线程调度，并将线程任务映射到各个处理器上；（支持多线程的内核称为多线程内核）；
  • 轻量级进程（Light Weight Process，LWP），内核线程的高级接口，通常意义上的线程，每个轻量级进程由一个内核线程支持；

局限性：每个线程操作（创建、析构、同步）都需要进行系统调用，需要在用户态和内核态之间来回切换，代价较高；消耗一定的内核资源（内核线程的占空间），系统支持轻量级进程的数量是有限的；

• 用户线程实现（1:N 实现），（User Thread，UT），广义上的用户线程指所有非内核线程的线程；狭义上的用户线程指完全建立在用户空间的线程库上，系统内核不能感知到存在和如何实现的线程；

若程序实现得当，用户线程不需要切换到内核态，操作可以非常快速且低消耗，能支持规模更大的线程数量（如部分高性能数据库中的多线程）；

局限性：没有系统内核的支援，所有线程操作（创建、销毁、切换、调度）都需要用户程序自己处理，阻塞处理、线程映射到处理器等问题的处理非常复杂，导致用户线程的视线通常比较复杂；

除了有明确需求（不支持多线程的操作系统下的多线程程序），一般应用程序不倾向使用用户线程，Java、Ruby 等语言都曾经使用并弃用用户线程；但近年来一些以高并发为买点的新语言（Golang、Erlang 等）又普遍支持了用户线程；

• 混合实现（N:M 实现），将内核线程与用户线程一起使用的实现方式（UNIX 系列系统如 Solaris、HP-UX 等提供了混合线程模型）；

用户线程建立在用户空间，线程的创建、切换、析构等操作廉价，可支持大规模的用户线程并发；

操作系统支持的轻量级进程作为用户线程和内核线程的桥梁，可以使用内核的线程调度及处理器映射，大大降低了整个进程被阻塞的风险；

Java 线程的实现

JDK 1.2 以前的 Classic VM 是基于绿色线程（Green Threads）实现的；JDK 1.3 起，商用 JVM 的线程普遍以内核线程实现；

HotSpot VM 的每一个线程直接映射到一个操作系统原生线程来实现，中间没有额外的间接结构，HotSpot 不会去干涉线程调度（可设置线程优先级给操作系统提供调度建议；何时冻结、何时唤醒线程、给线程分配多少处理器执行时间、把线程安排给哪个处理器核心执行等，都是操作系统全权负责的）；

两个例外

• Java ME 的 CLDC HotSpot Implementation（CLDC-HI）同时支持用户线程实现和混合模型；当 Java 线程执行一个阻塞调用时，CLDC-HI 会为之单独开一个内核线程，然后调度执行其他 Java 线程；
• Solaris 平台的 HotSpot VM 支持内核线程实现（通过 Bound threads 或 Alternate Libthread）和混合模式（通过 LWP/Thread Based Synchronization），通过 -XX:UseLWPSynchronization（默认）和 -XX:+UseBoundThreads 指定；

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的差异是透明的；

2. Java 线程调度

• 线程调度，系统为线程分配处理器使用权的过程，主要分为协同式（Cooperative Threads-Scheduling）线程调度和抢占式（Preemptive Threads-Scheduling）线程调度；

• 协同式（Cooperative Threads-Scheduling）线程调度，线程的执行时间由线程本身控制，由线程主动通知系统切换到另外的线程（Lua 中的协同例程）；

  • 实现简单；
  • 没有线程同步问题，切换操作对线程自己是可知的；
  • 线程执行的时间不可控，可能会导致整个系统一直阻塞在一个线程中；

• 抢占式（Preemptive Threads-Scheduling）线程调度，每个线程由系统来分配执行时间，线程的切换不由线程本身决定（Java 的 Thread::yield 可以主动让出执行时间，但不能主动获取执行时间）；

  • 不会有一个线程导致整个进程阻塞的问题；
  • 即使进程出现问题，也不会影响到整个操作系统；

线程优先级可以给操作系统一些线程调度建议，但并不是一项稳定的调优手段；不同操作系统的不同优先级会变得相同，且系统可能自行改变优先级（根据现场执行频率）；

3. 状态转换

Java 语言定义的 6 中线程状态

• 新建（New），创建后尚未启动的线程；
• 运行（Runnable），正在执行的线程、正在等待操作系统为它分配执行时间的线程（包括操作系统线程状态中的 Running 和 Ready）；
• 无限期等待（Waiting），等待被其他线程显示唤醒的线程，该线程不会被操作系统分配处理器时间；
  • Object::wait()，没有设置 timeout 参数；
  • Thread::join()，没有设置 timeout 参数；
  • LockSupport::park()；
• 限期等待（Timed Waiting），在一定时间后自动由系统唤醒，该线程不会被操作系统分配处理器时间；
  • Thread::sleep()；
  • Object::wait()，设置了 timeout；
  • Thread::join()，设置了 timeout；
  • LockSupport::parkNanos()；
  • LockSupport::parkUntil()；
• 阻塞（Blocked），线程被阻塞，在等待获得一个排它锁（在另一个县城放弃这个锁时发生）；程序在等待进入一个同步区域；
• 结束（Terminated），已终止的线程；线程已经结束执行；

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参考资料：

• [1]《深入理解 Java 虚拟机》