Java与线程

概述

并发不一定要依赖多线程(也可以是多进程,如PHP的多进程并发),但是在Java里面谈论并发,大多数都与线程脱不开关系。

线程的实现

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,各个线程即可以共享进程资源(内存地址、文件I/O等),又可以独立调度(线程是CPU调度的最基本单位)。
主流的操作系统都提供了线程实现,Java语言则提供了在不同硬件和操作系统平台下对线程操作的统一处理,每个java.lang.Thread类的实例就代表了一个线程。不过Thread类中所有关键方法都被声明为Native。在Java API中一个Native方法没有使用或无法使用平台无关的手段实现。
实现线程主要有三种方式:使用内核线程实现使用用户线程实现以及使用用户线程加轻量级进程混合实现

使用内核线程实现
轻量级进程与内核线程之间1:1的关系
  • KLT - 内核线程(Kernel Thread,KLT)即直接由操作系统内核(Kernel,下称内核)支持的线程。这种线程由内核来完成线程切换,内核通过操作纵调度器(Scheduler)对线程进行调度,并负责将线程的任务映射到各个处理器。
  • LWP - 程序一般不会直接去使用内核线程,而是去使用内核线程的一种高级接口---轻量级进程(Light Weight Process,LWP),轻量级里程就是我们意义上所讲的线程。

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。

内核线程实现局限性

  1. 轻量级进程是基于内核线程实现的,所以各种线程操作,如创建、构成及同步,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)内核态(Kernel Mode)中来回切换
  2. 每个轻量级进程都需要有一个内核线程支持,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
使用用户线程实现
进程与用户线程之间1:N的关系
  • UT - 用户线程(User Thread,UT);

从广义上讲,一个线程只要不是内核线程,那就是可以认为是用户线程,因此从这个定义上讲轻量级进程也属于用户线程,但轻量级进程的实现始终是建立在内核之上的,许多操作都要进行系统调用,因此效率会受到限制。
从狭义上讲,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。

优点 - 用户线程的优势在于不需要系统内核支援;
劣势 - 没有系统内核的支援,所有的线程操作都需要用户程序自己处理。由于操作系统只把处理器资源分配到进程,而诸如阻塞如何处理
多处理器系统中如何将线程映射到其他处理器上这类的问题解决起来将会异常困难,甚至不能完成。所以使用用户线程来实现的程序一般都是比较复杂的。

现在使用用户线程的程序越来越少,Java、Ruby等语言都曾经使用用户线程,最终又都放弃了使用它。

混合实现
用户线程与轻量级进程之间M : N的关系

在这种混合实现下,即存在用户线程,也存在轻量级进程。
用户线程还是完全建立在用户空间中,因此用户线程的创建、切换、析构等操作依然廉价,并且可以支持大规模的用户线程并发。而操作系统提供支持的轻量级进程则作用用户线程和内核线程之间的桥梁,这样可以使用内核提供的线程调度功能处处理器映射,并且用户线程的系统调用通过轻量级线程来完成,大大降低了进程被阻塞的风险。
许多Unix系列的操作系统,如Solaris,HP-UX等都提供了M : N的线程模型实现。

Java线程的实现

在JDK1.2之前,是基于名为绿色线程(Green Thread)的用户线程实现的;
在JDK1.2中,线程模型被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,操作系统支持怎么样的线程模型,很大程序上就决定了Java虚拟机的线程是怎么映射的。
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。

对于Sun JDK来说,它的Windows版与Linux版都是使用一对一的线程模型来实现的,一条Java线程就映射到一条轻量级进程之中,因为Windows和Linux系统提供的线程模型就是一对一的。

而在Solaris平台中,由于操作系统的线程特性可以同时支持一对一及多对多的线程模型,因此在Solaris版的JDK中也对应提供了两个平台专用的虚拟机参数:-XX:+UseLWPSynchronization(默认值)和-XX:+UseBoundThreads来明确指定虚拟机使用的是哪种线程模型。

Java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,分别是协同式(Cooperative Threads-Scheduling)线程调度抢占式(Preemptive Threads-Scheduling)线程调度

  • 协同式 - 线程的执行时间由线程本身控制,线程把自己的工作执行完之后,主动通知系统切换到另外一个线程上去。

优点:实现简单,而且由于线程要把自己的事情干完后才会进行线程切换,切换操作对线程自己是可知的,所以没有什么线程同步的问题。
缺点:线程执行时间不可控制,甚至如果一个线程编写有问题,一直不告诉系统进行线程切换,那么程序就会一直阻塞在那里(Windows 3.x系统就是使用协同式来实现多进程多任务的)。

  • 抢占式 - 每个线程将由系统来分配执行时间,线程的切换不由线程本身决定(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)。在这种实现线程调度的方式下,线程的执行时间是系统可控的,也不会有一个线程导致整个进程阻塞的问题,Java使用的线程调度方式就是抢占式调度。

在我们实际开发过程中会发现,设置的线程优先级并不是太靠谱。原因是Java的线程是被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由操作系统说了算,虽然现在很多操作系统都提供线程优先级的概念,但是并不见能与Java线程的优先级一一对应,如Solaris中有2的31次方种优先级,但Windows中就只有7种,比Java线程优先级多的系统还好说,中间留下一点空位就是了,但比Java线程优先级少的系统,就不得不出现几个优先级相同的情况了。
除了上面说的,还有一种情况是优先级可能会被系统自行改变。

状态转换

Java语言定义了5种进程状态,在任意一个时间点中,一个进程只能有且只有其中的一种状态。
如果想了解这些状态具体是什么可以查看我的另一篇文章 再说Java中wait、sleep、join和yield方法的区别
这5种状态在遇到特定事件发生的时候将会互相转换,转换关系如图:

线程状态转换关系

©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 205,033评论 6 478
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 87,725评论 2 381
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 151,473评论 0 338
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 54,846评论 1 277
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 63,848评论 5 368
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 48,691评论 1 282
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 38,053评论 3 399
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 36,700评论 0 258
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 42,856评论 1 300
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 35,676评论 2 323
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 37,787评论 1 333
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 33,430评论 4 321
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 39,034评论 3 307
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 29,990评论 0 19
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 31,218评论 1 260
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 45,174评论 2 352
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 42,526评论 2 343

推荐阅读更多精彩内容

  • 线程的实现 我们知道,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...
    好好学习Sun阅读 490评论 0 2
  • 并发不一定要依赖多线程,也可以是多进程。但是在java中,并发一般是线程相关。本文主要是从java虚拟机的角度来探...
    _fan凡阅读 644评论 0 1
  • 除了充分利用计算机处理器的能力外,一个服务端同时对多个客户端提供服务则是另一个更具体的并发应用场景。衡量一个服务性...
    胡二囧阅读 1,322评论 0 12
  • 1. 线程的实现 三种方式 1. 使用内核线程实现 内核线程的定义:内核线程(Kernel-Level Threa...
    jqdywolf阅读 1,616评论 0 0
  • “肠寿”是肠子的寿命。由于肠子对食物的吸收,是大部分能量进入人体的主要形式,所以,保护好肠子,成为一件很重要的事情...
    盛熙阅读 238评论 0 4