Java线程

Java线程

线程定义

线程(英语:thread)是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中,是进程中的实际运作单位。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流,一个进程中可以并发多个线程,每条线程并行执行不同的任务。在Unix System VSunOS中也被称为轻量进程(lightweight processes),但轻量进程更多指内核线程(kernel thread),而把用户线程(user thread)称为线程。

线程是独立调度和分派的基本单位。线程可以操作系统内核调度的内核线程,如Win32线程;由用户进程自行调度的用户线程,如Linux平台的POSIX Thread;或者由内核与用户进程,如Windows 7的线程,进行混合调度。

同一进程中的多条线程将共享该进程中的全部系统资源,如虚拟地址空间,文件描述符和信号处理等等。但同一进程中的多个线程有各自的调用栈(call stack),自己的寄存器环境(register context),自己的线程本地存储(thread-local storage)。

线程实现

Java中的线程都是调用的原生系统的本地函数,Java线程模型是基于操作系统原生线程模型实现的,实现线程有三种方式:内核线程实现、用户线程实现、混合线程实现。

内核线程实现

直接由操作系统内核支持的线程,通过内核来完成进程切换。每个内核线程就是一个内核的分身,这样操作系统就可以同时处理多件事情,支持多线程的内核被称为多线程内核。

程序一般不直接使用内核线程,而是使用一种高级接口——轻量级进程,轻量级进程就是我们通常意义上的线程,可以获得内核线程的支持,与内核线程构成1:1的线程模型。

由于得到内核线程的支持,每个轻量级进程都成为一个独立的调度单元,即时有一个轻量级进程在系统调用中阻塞,也不会影响整个进程,但也有其局限性:由于是基于内核线程实现的,各种操作,如创建、销毁及同步,都需要进行系统调用。而系统调用代价较高,需要在内核态和用户态来回切换。

用户线程实现

从广义上说,一个线程不是内核线程,就是用户线程,所以轻量级进程也属于用户线程。狭义的用户线程是指完全建立在用户空间上的,系统内核不能感知到其存在。

用户线程的创建、同步、销毁和调度都是在用户空间实现的,因此相对较快,代价相对较低。这种用户线程和进程是N:1的线程模型。

由于用户线程没有内核的支持,线程的创建、切换和调度是需要自己实现的,而且由于操作系统只把CPU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”这类问题解决起来异常复杂。

混合实现

这种实现模式将内核线程与用户线程一起使用,在这种方式下既存在用户线程,也存在轻量级进程。用户线程还是完全建立在用户空间,因此用户线程的创建、切换等操作依旧低廉。而操作系统提供的轻量级进程则作为用户线程和内核线程的桥梁,这样就可以使用内核提供的线程调度及处理器映射。这种实现下,用户线程和轻量级进程是M:N的模式。

Java线程调度

线程调度分为协同式和抢占式。

  • 协同式调度:线程的执行时间由线程自己控制,这种的实现很简单,但是很可能造成很严重的后果。
  • 抢占式调度:由操作系统分配线程执行的时间,线程切换的决定权在操作系统。

有时候我们需要为某些线程多分配时间,这时我们就需要用到线程优先级的方法,Java提供了10种优先级。Java优先级是在操作系统的原生线程优先级上实现的,所以对于同一个优先级,不同的操作系统可能有不同的表现,也就是说 Java线程优先级不是可靠的

Java线程状态切换

Java线程模型定义了 6 种状态,在任意一个时间点,一个线程有且只有其中一个状态:

  • 新建(New):新建的Thread,尚未开始。
  • 运行(Runable):包含操作系统线程状态中的Running、Ready,也就是处于正在执行或正在等待CPU分配时间的状态。
  • 无限期等待(Waiting):处于这种状态的线程不会被分配CPU时间,等待其他线程唤醒。
  • 限期等待(Timed Waiting):处于这种状态的线程不会被分配CPU时间,在一定时间后会由系统自动唤醒。
  • 阻塞(Blocked):在等待获得排他锁。
  • 结束(Terminated):已终止的线程。

线程安全

多线程访问同一代码,不会产生不确定的结果。

Java 线程池