详解Java中的线程模型与线程调度

JAVA线程模型

线程的实现主要有3种方式：

• 使用内核线程实现（1:1）
• 使用用户线程实现（1:N）
• 使用用户线程加轻量级进程实现（N:M）

使用内核线程实现（Kernel-Level Thread, KLT）（1:1）

内核线程就是直接由操作系统内核支持的线程，这种线程由内核来完成线程的切换，内核通过操作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。

程序一般不会直接去使用内核，而是去使用线程的一种高级接口——轻量级进程（Light Weight Process，LWP），轻量级进程就是我们通常意义上的线程，由于每个轻量级进程都是由一个内核线程支持的，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直接1：1的关系称为一对一线程模型。

优点：

实现简单

缺点：

• 线程的各种操作都需要系统调度，需要在用户态和内核态中来回切换，系统调用的代价相对较高；
• 其次，每个轻量级继承都需要一个内核线程来支持，因此轻量级进程要消耗一定的内核资源，一个系统支持的轻量级进程数量有限，如果系统出现大量线程，会对系统性能有影响；
  

使用用户线程实现 （1:N）

广义上来说，一个线程只要不是内核线程，就可以认为是用户线程（User Thread，UT），从这个角度来看，轻量级进程也就是用户线程，但是轻量级进程始终是和内核线程有关系的，效率终究会受到限制。

狭义上来说，用户线程指的是完全建立在用户空间的线程库上，系统内核不能感知到线程存在的实现。用户线程的建立、同步、调度和销毁完全在用户态完成，不需要内核的帮助。这种线程不需要切换到内核态，所以可以是非常快速且低消耗的，也可以支持更大规模的线程数量。这种进程与用户线程之间1：N的关系称为一对多线程模型。

优点：

不需要系统内核线程的支持，用户线程的很多操作对内核来说都是透明的，不需要用户态和内核态的频繁切换，使线程的创建、调度、同步等非常快；

缺点：

• 需要用户程序自己处理线程的所有操作，JAVA曾经使用过用户线程，最终放弃使用。
• 由于多个用户线程对应到同一个内核线程，如果其中一个用户线程阻塞，那么该其他用户线程也无法执行；
• 内核并不知道用户态有哪些线程，无法像内核线程一样实现较完整的调度、优先级等；
  

使用用户线程加轻量级进程实现 N:M）

将内核线程与用户线程一起使用的组合方式，为N：M的关系，这种就是多对多线程模型。

优点：

• 兼具多对一模型的轻量；
• 由于对应了多个内核线程，则一个用户线程阻塞时，其他用户线程仍然可以执行；
• 由于对应了多个内核线程，则可以实现较完整的调度、优先级等；
  

缺点：

实现复杂
Go语言中的goroutine调度器就是采用的这种实现方案

JAVA线程的实现

在JDK1.2之前，JAVA线程是基于称为“绿色线程（Green Thread）”的用户线程来实现的，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的。

在目前的JDK版本中，操作系统支持怎样的线程模型，很大程度上决定了JAVA虚拟机的线程是怎样映射的，在不同的平台上实现可能是不一样的，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，差异都是透明的。

对于Sun JDK 来说，它的Windows版本和 Linux 版本都是使用的一对一线程模型来实现的，即一条线程就映射到一条轻量级进程中，因为 Windows 系统和 Linux 系统提供的线程模型都是一对一的。

JAVA线程调度

线程调度是说系统为线程分配处理器使用权的过程。主要的调度方式有两种：

1.协同式线程调度

线程的执行时间是由线程本身控制的，线程工作执行完成之后，需要主动通知系统切换到另一个线程上。Lua 语言中的“协同例程”就是这类实现。

好处：实现简单

缺点：线程执行时间不可控，可能会一直阻塞，导致系统崩溃

2.抢占式线程调度

每个线程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() 可以主动让出CPU使用权，但要获取，线程本身是没有任何办法的）

优点：线程的执行时间系统可控，不会有一个线程阻塞而导致整个进程阻塞

JAVA 使用的是抢占式调度方式

JAVA线程状态

JAVA 定义了5种线程状态，在任意一个时间点上，线程有且只能有一个状态；5个状态分别如下：

1.新建（New）
创建后尚未启动的线程所处的状态
2.运行（Runable）
Runable 包括了操作系统线程状态的Running 和 Ready，也就是处于此状态的 JAVA 线程可能正在运行，也有可能正在等待分配CPU时间片
3.无限期等待（Waiting）
处于这种状态的线程不会被分配CPU 时间片，需要等待被其他线程显式地唤醒。
以下方法会让线程进入到无限期等待：

• 调用没有设置 timeout 参数的 Object.wait() 方法
• 调用没有设置 timeout 参数的 Thread.join() 方法
• 调用LockSuport.park() 方法

4.有限期等待（Timed Waiting）
处于这种状态的线程也不会被分配CPU 时间片，但是不需要其他线程显式地唤醒，而是等待一定时间后会由系统自动唤醒
以下方法会让线程进入到有限期等待：

• Thread.sleep() 方法
• 调用设置了 timeout 参数的 Object.wait() 方法
• 调用设置了 timeout 参数的 Thread.join() 方法
• 调用LockSuport.parkNanos(long nanos) 方法
• 调用LockSuport.parkUntil(long deadline) 方法
  

5.阻塞（Blocked）
线程被阻塞了，“阻塞状态”与“等待状态”的区别是: 阻塞状态在等待获取一个排它锁；等待状态则是在等待一段时间，或者唤醒动作的发生。在使用了 synchronized 等同步语句时会进入这种状态。
6.结束（Terminated）
终止线程的线程状态，线程已完成执行。

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