多线程五(java线程补充知识)

并发不一定要依赖多线程,但是在java里的并发大多与多线程脱不开关系。

  • 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调度执行分开,各个线程既可以共享进程资源,如内存地址、文件I/O等,又可以独立调度。

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,每个已经执行start方法且还未结束的java.lang.Thread类的实例就代表了一个线程。Thread类中的所有关键方法都是声明为native的。在java API中,一个native方法往往意味着这个方法没有使用或无法使用平台无关的手段来实现。

线程的主要实现方式有三种: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。

(1)使用内核线程实现

内核线程(kernel level thread)就是直接由操作系统支持的线程,这种线程由内核(kernel)来完成线程切换,内核通过操纵调度器(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上。

每个内核线程可以视为内核的一个分身,这样操作系统就有能力同时处理多件事情,支持多线程的内核就叫做多线程内核。

程序一般不会直接去使用内核线程,而是使用内核线程的一种高级接口——轻量级进程(light weight process),轻量级进程就是通常意义上讲的线程。这种轻量级进程与内核线程之间1:1的关系称为一对一的线程模型。

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,但是轻量级进程具有它的局限性:首先,由于是基于内核线程实现的,所以各种线程操作,如创建、析构(C中销毁对象的方法的名词,可以理解为构造函数的反义词)和同步,都需要系统调用。而系统调用的代价相对较高,需要在用户态和内核态中来回切换。其次,每个轻量级进程都需要有一个内核线程支持,因此轻量级进程需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。

(2)使用用户线程实现

广义上讲,一个线程只要不是内核线程,就可以认为是用户线程,因此从这个定义上讲,轻量级进程也可以算是用户线程,但是轻量级进程的实现始终是建立在内核线程的基础上的,许多操作都要进行系统调用,效率会收到限制。

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。这种进程与用户线程之间1:N的关系称为一对多的线程模型。

使用用户线程的优势在于不需要系统内核支援,劣势也在于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。线程的创建、切换和调度都是需要考虑的问题,而且由于操作系统只把处理器资源分配到进程,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”这类问题解决起来将会异常困难。因此使用用户线程的程序很少,java以前使用过,但是后来放弃了。

(3)使用用户线程加轻量级进程混合实现

线程除了依赖内核线程实现和完全由用户程序自己实现之外,还有一种将内核线程与用户线程一起使用的实现方式。在这种混合实现方式下,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为用户线程和内核线程之间的桥梁,这样既可以使用内核提供的线程调度功能以及处理器映射,并且用户线程的系统调用要通过轻量级进程来完成,大大降低了整个进程被完全阻塞的风险。这种混合模式中,用户线程与轻量级进程的数量比是补丁的,即为N:M。

(4)java线程的实现

java线程在JSK1.2之前,是基于称为“绿色线程”的用户线程实现的,而在JDK1.2中,线程模型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,操作系统支持怎样的线程模型,在很大程度上决定了JVM的线程是怎样映射的,这点在不同的平台上没有办法打成一直,虚拟机规范中也并未限定java线程需要使用哪种线程模型来实现。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版和Linux版都是使用一对一的线程模型实现的,一条java线程就映射到一条轻量级进程之中。而在Solaris平台中,有序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有的虚拟机参数:-XX:+UserLWPSynchronization(默认值)和-XX:++UserBoundThreads来明确指定虚拟机使用哪种线程模型。

  • 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:协同式线程调度和抢占式线程调度。

协同式线程调度中,线程的执行时间由线程本身决定,线程把自己的工作执行完之后,要主动通知系统切换到另外一个线程上。好处是:实现简单,由于线程要把自己的事情干完才会进行线程切换,切换操作对线程自己是可知的,所以没有什么线程同步问题。坏处是:线程执行时间不可控制,如果一个线程编写有问题,一直不告知系统进行切换,那么程序就会一直阻塞在那里。

抢占式线程调度中,每个线程由操作系统分配执行时间,线程的切换不由线程本身来决定(java中可以用Thread.yield()可以让出执行时间,但是要获取执行时间,线程本身是没有办法的)。在这种实现线程调度的方式下,线程的执行时间是可控的,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

 

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