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）和内核态（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）线程调度和抢占式（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