Java线程调度详解

在关于线程安全的文章中,我们提到过,对于单CPU的计算机来说,在任意时刻只能执行一条机器指令,每个线程只有获得CPU的使用权才能执行指令。

所谓多线程的并发运行,其实是指从宏观上看,各个线程轮流获得CPU的使用权,分别执行各自的任务。

前面关于线程状态的介绍中,我们知道,线程的运行状态中包含两种子状态,即就绪(READY)和运行中(RUNNING)。

而一个线程想要从就绪状态变成运行中状态,这个过程需要系统调度,即给线程分配CPU的使用权,获得CPU使用权的线程才会从就绪状态变成运行状态。

给多个线程按照特定的机制分配CPU的使用权的过程就叫做线程调度。

还记得在介绍进程和线程的区别的时候,我们提到过的一句话吗:进程是分配资源的基本单元,线程是CPU调度的基本单元。这里所说的调度指的就是给其分配CPU时间片,让其执行任务。

Linux线程调度

在Linux中,线程是由进程来实现,线程就是轻量级进程( lightweight process ),因此在Linux中,线程的调度是按照进程的调度方式来进行调度的,也就是说线程是调度单元。

Linux这样实现的线程的好处的之一是:线程调度直接使用进程调度就可以了,没必要再搞一个进程内的线程调度器。在Linux中,调度器是基于线程的调度策略(scheduling policy)和静态调度优先级(static scheduling priority)来决定那个线程来运行。

在Linux中,主要有三种调度策略。分别是:

  • SCHED_OTHER 分时调度策略,(默认的)
  • SCHED_FIFO 实时调度策略,先到先服务
  • SCHED_RR 实时调度策略,时间片轮转

Windows线程调度

Windows 采用基于优先级的、抢占调度算法来调度线程。

用于处理调度的 Windows 内核部分称为调度程序,Windows 调度程序确保具有最高优先级的线程总是在运行的。由于调度程序选择运行的线程会一直运行,直到被更高优先级的线程所抢占,或终止,或时间片已到,或调用阻塞系统调用(如 I/O)。如果在低优先级线程运行时,更高优先级的实时线程变成就绪,那么低优先级线程就被抢占。这种抢占使得实时线程在需要使用 CPU 时优先得到使用。

Java线程调度

可以看到,不同的操作系统,有不同的线程调度策略。但是,作为一个Java开发人员来说,我们日常开发过程中一般很少关注操作系统层面的东西。

主要是因为Java程序都是运行在Java虚拟机上面的,而虚拟机帮我们屏蔽了操作系统的差异,所以我们说Java是一个跨平台语言。

在操作系统中,一个Java程序其实就是一个进程。所以,我们说Java是单进程、多线程的!

前面关于线程的实现也介绍过,Thread类与大部分的Java API有显著的差别,它的所有关键方法都是声明为Native的,也就是说,他需要根据不同的操作系统有不同的实现。

在Java的多线程程序中,为保证所有线程的执行能按照一定的规则执行,JVM实现了一个线程调度器,它定义了线程调度模型,对于CPU运算的分配都进行了规定,按照这些特定的机制为多个线程分配CPU的使用权。

主要有两种调度模型:协同式线程调度抢占式调度模型

协同式线程调度

协同式调度的多线程系统,线程的执行时间由线程本身来控制,线程把自己的工作执行完了之后,要主动通知系统切换到另外一个线程上。协同式多线程的最大好处是实现简单,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。

抢占式调度模型

抢占式调度的多线程系统,那么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来决定。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。

系统会让可运行池中优先级高的线程占用CPU,如果可运行池中的线程优先级相同,那么就随机选择一个线程,使其占用CPU。处于运行状态的线程会一直运行,直至它不得不放弃CPU。

Java虚拟机采用抢占式调度模型。

虽然Java线程调度是系统自动完成的,但是我们还是可以“建议”系统给某些线程多分配一点执行时间,另外的一些线程则可以少分配一点——这项操作可以通过设置线程优先级来完成。Java语言一共设置了10个级别的线程优先级(Thread.MIN_PRIORITY至Thread.MAX_PRIORITY),在两个线程同时处于Ready状态时,优先级越高的线程越容易被系统选择执行。

不过,线程优先级并不是太靠谱,原因是Java的线程是通过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取决于操作系统,虽然现在很多操作系统都提供线程优先级的概念,但是并不见得能与Java线程的优先级一一对应。

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