Java之线程实现原理

并发不一定依赖多线程（如PHP中很常见的多进程并发），但在Java里谈并发，大多数都与线程脱不了关系。线程是一种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（内存地址、文件I/O等），又可以独立调度（线程是CPU调度的基本单位）。

1、线程的实现

Java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且还未结束的java.lang.Thread类的实例就代表了一个线程。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。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（当然也可以是为了执行效率而使用Native方法，不过，通常最高效率的手段也是平台相关的手段）。

1.1、使用内核线程实现

内核线程就是直接使用操作系统内核（下称内核）支持的线程，这种线程由内核来完成线程切换，内核通过操纵调度器对线程进行调度，并负责将线程的任务映射到各个处理器上。每个内核线程可视为内核的一个分身，这样操纵系统就有能力处理多件事情，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，而是去使用内核线程的一种高级接口——轻量级进程，轻量级进程就是我们通常意义上所讲的线程，由于每个轻量级进程都由一个内核线程支持，因此只有先支持内核线程，才能有轻量级进程。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了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、析构及同步，都需要进行系统调用。而系统调用代价相对较高，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一个内核线程的支持，因此轻量级进程要消耗一定的内核资源（如内核的栈空间），因此一个系统支持轻量级进程的数量是有限的。

1.2、使用用户线程实现

从广义上讲，一个线程只要不是内核线程，就可以认为是用户线程，因此，从这个定义上来讲，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，效率会受到限制。
而狭义上的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、同步和调度完全在用户状态中完成，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状态，因此操作系统可以非常快速且抵消耗的，也可以支持规模更大的线程数量。这种进程与用户线程之间1:N的关系被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，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上”这类问题解决起来将会异常困难，甚至不可能完成。因而使用用户线程实现的程序一般都比较复杂。除了以前在不支持多线程的操作系统中的多线程程序与少数有特殊需求的程序中，现在使用用户线程的程序越来越少了。

1.3、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以外，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为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。在这种混合模式中，用户线程与轻量级进程的数量比是不定的，即为N:M的关系。

1.4、Java线程的实现

Java线程在JDK1.2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，操作系统的支持怎样的线程模型，在很大程度上决定Java虚拟机的线程是怎样映射的，这点在不同的平台上没办法达成一致，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Window版和Linux版都是使用一对一线程模型实现的，一条Java线程就映射到一条轻量级进程之中，因为Window和Linux系统提供的线程模型就是一对一的。

2、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，分别是协同式线程调度和抢占式线程调度。

使用协同式调度的多线程系统，线程的执行时间由线程本身控制，线程把自己工作执行完毕后，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，所以没什么线程同步问题。
如果使用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。

3、线程的状态切换

Java定义了5种线程状态，在任意一个时间点，一个线程只能有且只有其中的一种状态，这5中状态分别如下。

新建（New）：创建后尚未启动的线程处于这种状态
运行（Runable）：Runable包括了操作系统线程状态中的Running和Ready，也就是处于此状态的线程有可能正在执行，也有可能正在等待着CPU为它分配执行时间
无限期等待（Waiting）：处于这种状态的线程不会被分配CPU执行时间，它们要等待被其他线程显示地唤醒。以下方法会让线程陷入无限期的等待状态。
- 没有设置Timeout参数的Object.wait()方法
- 没有设置Timeout参数的Thread.join()方法
- LockSupport.part()方法
限期等待（Timed Waiting）：处于这种状态的线程也不会被分配CPU执行时间，不过无须等待其他线程显示地唤醒，在一定时间之后它们会由系统自动唤醒。以下方法会让线程进入限期等待状态：
- Thread.sleep()方法。
- 设置了Timeout参数的Object.wait()方法
- 设置了Timeout参数的Object.join()方法
- LockSupport.partNanos()方法
- LockSupport.parkUntil()方法
阻塞（Blocked）：线程被阻塞了，“阻塞状态”与“等待状态”的区别是：“阻塞状态”在等待着获取到一个排他锁，这个事件将在另外一个线程放弃这个锁的时候发生；而“等待状态”则是等待一段时间，或者唤醒动作的发生。在程序等待进入同步区域的时候，线程将进入这种状态。
结束（Terminated）：已终止线程的线程状态，线程已经结束执行。

上面五种状态在遇到特定事件发生的时候将会相互转换，转换关系如图。